Агрохимия, 2020, № 1, стр. 25-32

ВВЕДЕНИЕ

Изменение структуры землепользования сельхозугодий в Литве определяется необходимостью предотвратить деградацию малоплодородных пахотных почв и оптимизировать их использование, обеспечивающее улучшение свойств и экономическую целесообразность производства сельскохозяйственной продукции. Трансформация пахотных почв (ПП) в другие типы землепользования сопровождается изменением морфологических, физических, химичеcких и биологических свойств почвы [1–3]. По мнению [4], при снижении антропогенной нагрузки вследствие изменения землепользования, благодаря саморегуляции агроэкосистемы и преобладающих зональных почвообразующих процессов, агрохимические свойства почв частично возвращаются к своему первоначальному состоянию, однако восстановление абсолютно натурального состояния после интенсивного землепользования невозможно. В работе [5] установили, что признаки агрогенной деятельности в почвенном профиле остаются видны даже через 100 лет после прекращения аграрной деятельности. В исследованиях [6] доказано, что более четкие изменения агрогенной трансформации фиксируются в верхней части почвенного профиля (0–30–45 cм), однако достоверные изменения морфологических и агрохимических свойств могут достигать глубины 100–150 см. Оценивая изменения агрохимических свойств супесчаных почв вследствие изменения землепользования, важно понять насколько быстро и сильно изменяются почвообразовательные процессы по отношению к фоновым почвам в конкретной почво-климатической зоне.

Территория Литвы расположена в зоне избыточного увлажнения, поэтому для преобладающих типов почв характерно снижение плодородия почвы из-за естественных процессов оподзоливания, лессиважа, декальцификации и подкисления. Скорость и направленность этих процессов после изменения типа землепользования можно оценить по основным агрохимическим показателям, характеризующих плодородие почвы: концетрации питательных веществ и органического углерода, кислотности почвы.

Цель работы – изучение изменений агрохимических свойств сформировавшейся на флювиогляциальных отложениях супесчаной почвы вследствие трансформации пахотных угодий в другие виды землепользования (культурный луг, залежь, сосновый лес).

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объект и место исследования. Эксперимент заложен в 1995 г. на дерново-подзолистой супесчаной почве, по классификации WRB 2014 [7] – Arenosol (54°33'49.8''N, 25°05'12.9''E). Она сформировалась на флювиогляциальных отложениях: верхняя часть профиля сложена из некарбонатной супеси, нижняя часть – из карбонатного гравия. Карбонатный слой залегает на глубине 60–80 см. Для данной почвы характерен профиль с горизонтами A–AB–B1–B2–1Ck–2Ck [7]. Гранулометрический состав (по ФАО-ЮНЕСКО): 88.7–89.4% песка (63–2000 μм), 8.2–8.8% пыли (2–63 μм), 2.4–2.5% ила (<2 μm) [8].

За период длительного сельскохозяйственного использования территории вследствие применения различных агротехнических приемов толщина гор. А увеличилась до 28 см, в то время как в расположенных рядом лесных насаждениях (фоновая почва) его толщина достигала только 22 см. Систематическое известкование и внесение удобрений снизило кислотность почвы до рН_KCl 6.0–6.8 и увеличило концентрацию питательных веществ: P₂O₅ – до 157–188 и K₂O – до 170–194 мг/кг (табл. 1), когда для фоновых почв данной местности характерна очень кислая реакция (рН ≈ 4.5) и низкое содержание фосфора и калия (≈100 мг/кг). Концентрация С_орг достигала 9.5–9.9 мг/кг, что характерно для почв легкого гранулометрического состава.

Схема эксперимента. Схема эксперимента включала 4 различных типа землепользования: 1 – контроль – пахотная почва (ПП) (1а – без удобрений, 1б – оптимальные дозы удобрений), 2 – культурный луг (КЛ) (2а – без удобрений, 2б – оптимальные дозы удобрений), 3 – залежь (ЗП), 4 – сосновый лес (СЛ) (рис. 1). Общая площадь каждой площадки землепользования составляла 400 м² (20 × 20 м). Площадка пахотной почвы и культурного луга была разделена на 2 части (по 200 м²) – удобряемую минеральными удобрениями и без удобрений.

Рис. 1.

Схема эксперимента.

На площадке пахотной почвы в 1995–2015 гг. выращивали рекомендованные для песчаных и супесчаных почв сельскохозяйственные культуры. Их соотношение в севообороте за период исследований составило: 38.1% злаковых зерновых (Secale cereale L, Hordeum vulgare L, Triticosecale wittmack, Triticum aestivum L.), 19.0% гречишных (Fagopyrum esculentum Moench), 14.3% многолетних бобовых трав (Trifolium pratense L.), 14.3% пропашных (Solanum tuberosum L.) ir 14.3% других (Brassica napus L., Lupinus angustifolius L.). Растения удобряли минеральными NPK-удобрениями, дозы которых были рассчитаны по потребности выращиваемых растений и содержанию этих элементов в почве и в среднем составили : N0–100P30–60K30–120. В 1995 и 2000 гг. на удобряемой части севооборота был внесен навоз 40 т/га, после этого никаких органических удобрений не вносили. За весь период исследования (1995–2015 гг.) среднегодовая доза питательных веществ, внесенных с органическими и минеральными удобрениями, составила N62.7P53.0K77.1. В течение эксперимента в основном использовали простые удобрения (N_аa, P_сг, K_х). В севооботорте применяли общепринятую для зоны агротехнику возделывания сельскохозяйственных культур.

На площадке культурного луга в 1995–2006 гг. выращивали смесь многолетних бобово-злаковых трав, которая состояла из люцерны (Medicago varia L.) и 4-х злаковых трав – овсяницы красной (Festuca rubra L.), костреца безостого (Bromus inermis Leyss.), ежи сборной (Dactylis glomerata L.) и мятлика лугового (Poa pratensis L.). В 2007 г. травостой был пересеян, и в 2007–2015 гг. выращивали аналогичную смесь многолетних трав, только ежа сборная была заменена на тимофеевку (Phleum pratense L.). Под травы вносили N60P90K120. За вегетационный период проводили 2 укоса трав.

На площадке с залежью в течение проведения эксперимента сформировался фитоценоз из натуральной травяной растительности, характерной для супесчаных почв данного региона. На площадке леса были высажены саженцы сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.). В 1995 г. было посажено 400 экз. (10 тыс. экз./га) саженцев, в 2015 г., после прореживания деревьев, плотность составила 3509 экз./га.

Лабораторные методы исследования. Определение агрохимических свойтв почвы было выполнено в 1995 г. (перед закладкой эксперимента) и в 2015 г. (через 21 год после изменения типа землепользования). На каждой площадке землепользования из гумусного горизонта (0–25 см) были взяты смешанные образца почвы в 3-х повторностях (n = 36).

В почвенных образцах определяли: pH_KCl – ISO 10390:2005 потенциометрическим методом (в суспензии 1 м KCl/л), содержание органического C (С_орг) – ISO 10694:1995, подвижных P₂O₅ и K₂O – методом Эгнера–Римо–Доминго (A–L метод); обменного кальция и магния – методом атомной абсорбции (ГОСТ 26208-84).

Результаты эксперимента обработаны методом дисперсионного анализа. Существенность различий между вариантами оценена при помощи критерия Фишера (F) и НСР при 5%-ном уровне значимости. Для агрохимических показателей также рассчитана стандарная ошибка средней (SЕ).

Метеорологические условия. Место проведения эксперимента относится к средней широте климатической зоны. Среднегодовая температура воздуха (стандартная климатическая норма – СКН) составляет 6.0°C, годовое количество осадков – 664 мм [9]. В период проведения эксперимента (1995–2015 гг.) избыточно влажными были годы, когда количество осадков превышало СКН на 10%: 1998, 2005, 2009, 2010–2015 гг. В эти годы количество осадков варьировало от 731 до 976 мм. Только 1 год (1996 г.) был засушливый, осадков выпало на 28% меньше нормы (519 мм). В течение эксперимента температурный режим также очень отличался от СКН. Начиная с 1999 г., среднегодовая температура воздуха ежегодно превышала СКН на 0.5–1.8°C. Особенно теплыми были 1999, 2000, 2006–2008 и 2013–2015 гг., температура воздуха была выше СКН более, чем на 1°C.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Кислотно-основные свойства почвы. Продолжая традиционное использование почвы для производства сельскохозяйственной продукции (площадка пахотной почвы) с оптимальным уровнем применения удобрений, кислотность почвы за  21 год снизилась с 6.0 ± 0.17 до 7.3 ± 0.06 ед. рН (F_факт ≥ F_теор) (табл. 2). Снижение кислотности было установлено и в неудобряемой ПП. Существенное уменьшение кислотности без применения известковых материалов трудно объяснимо. Однако в данном случае такие изменения могли быть связаны с нейтрализующим действием карбонатных частиц гравия, поступающих в верхний горизонт почвы из нижележащих карбонатных слоев в процессе обработки почвы, а также смягчающим действием кальция суперфосфата, примененного для удобрения культур. Аналогичные результаты уменьшения кислотности почвы в севооборотах по сравнению с лугами и лесными угодьями, описаны в работах [10–12]. Анализируя причины такого явления указывали, что снижение кислотности могло быть связано с разложением растительных остатков, в результате которого освобождающиеся ионы аммония нейтрализуют кислотность почвы. В почве ПП содержалось большое количество обменного кальция и магния – соответственно 2260 ± 130 мг Са/кг и 352 ± 9 мг Мg/кг в удобренной почве и 2780 ± 30 мг Са/кг и 551 ± 8 мг Мg/кг – в неудобренной. Более значительное снижение концентрации этих элементов при внесении удобрений (Р < 0.05) обусловлено бóльшим их выносом урожаем культур севооборота.

При трансформации ПП в КЛ, травостой которого был сформирован из люцерны и злаковых трав, кислотность гор. А за 21 год увеличилась с 6.8 ± 0.17 до 6.1 ± 0.00 ед. рН в неудобренной почве и до 4.9 ± 0.00 ед. рН в удобренной (Р < 0.05). Различная степень снижения кислотности обусловлена интенсивным поглощением кальция и магния почвы многолетними травами. На удобренной площадке, урожай трав был в 1.71 раза больше, чем без применения удобрений, соответственно и вынос кальция и магния биомассой трав был значительно выше. За период проведения исследования с урожаем трав из почвы на удобренной площадке было удалено 1550 кг Са²⁺ + Мg²⁺/га, без применения удобрений – 913 кг Са²⁺ + Мg²⁺/га, что отразилось на изменениях величины рН почвы и содержании обменных катионов в почве КЛ.

В почве КЛ концентрация Са²⁺ и Мg²⁺ была более чем в 2 раза меньше (Р <0.05), по сравнению с почвой ПП. Снижение кислотности в почве КЛ также было обусловлено и вымыванием кальция в подпахотные горизоты, на величину которого влиял возраст травостоя. По данным [13], с увеличением возраста травостоя и в зависимости от доли бобовых, потери кальция от вымывания могут возрасти в 5–6 раз: с 15–22 кг Са²⁺/га в первый год пользования до 92–104 кг/га на 4-й год. В данном эксперименте травы без пересева выращивали 10 лет, и это могло увеличить выщелачивание Са²⁺ и Мg²⁺ и способствовать более быстрому подкислению почвы. Противоположные процессы изменения рН происходили при трансформации ПП в ЗП, на которой развивался натуральный фитоценоз. При таком землепользовании за 21-летний период кислотность почвы уменьшилась с 6.0 ± 0.17 до 6.6 ± 0.03 рН (F_факт ≥ F_теор). В противоположность КЛ, в ЗП надземную часть растительности не удаляли, и она после завершения вегетации минерализовалась на поверхности почвы, освобождая щелочноземельные элементы, которые частично компенсировали потери от выщелачивания. В результате этого содержание обменного кальция и магния в ЗП в 2015 г. было соответственно на 42.6 и 80.6% больше по сравнению с почвой неудобренного КЛ.

Трансформация пашни в сосновый лес за 21 год привела к подкислению гор. А на 0.4 ед. рН (F_факт ≥ F_теор). Процесс подкисления был обусловлен 3-мя факторами – поглощением кальция и магния деревьями сосны для формирования биомассы, их выщелачиванием и подкисляющим действием органических кислот, образующихся в процессе разложения опада сосны. По сравнению с залежью, в почве СЛ содержание обменного кальция было меньше на 71.4, обменного магния – на 93%. Исследования, выполненные российскими учеными, показали, что через 17 лет после посадки соснового леса кислотность почвы увеличилась на 1.9 ед. рН [5]. Аналогичные данные о влиянии лесонасаждений на кислотность почвы представлены в работах [14, 15]. Таким образом, при конверсии пахотной почвы в сосновый лес усиливались характерные для дерново-подзолистых почв эллювиальные процессы, что не способствовало стабилизации их плодородия. Это зональные почвообразовательные процессы данной географической широты, характеризующие начальные процессы ренатурализации агрогенной почвы.

Подвижный фосфор и калий. Концентрация подвижных фосфора и калия в почве разного типа землепользования зависела от баланса внесения и отторжения этих элементов в период проведения эксперимента и от их сорбции почвенными коллоидами.

Вследствие выноса элементов урожаем культур и вымывания в нижележащие слои в гор. А пахотной почвы концентрация Р₂О₅ без применения удобрений снизилась на 35 мг/кг (F_факт ≥ ≥ F_теор), К₂О – на 99 мг/кг (F_факт ≥ F_теор). Более значительное уменьшение концентрации калия по сравнению с фосфором связано с бóльшим выносом этого элемента урожаем и более интенсивным вымыванием из пахотного горизота [16]. Внесение оптимальных доз NРК и навоза (среднегодовая доза N63Р53К71) способствовало накоплению подвижного фосфора в почве, и его концентрация за 21 год увеличилась на 44 мг Р₂О₅/кг (F_факт ≥ F_теор). Однако внесенных доз калийных удобрений было недостаточно, они не компенсировали его вынос урожаем, и концентрация подвижного калия снизилась за этот период на 48 мг/кг (F_факт ≥ F_теор). На неудобренной пахотной почве снижение концентрации было в 2.06 раза больше.

В почве КЛ, по сравнению с ПП, изменения концентрации питательных веществ были несколько иными. При положительном балансе происходила аккумуляция подвижных соединений фосфора в гор. А, и через 21 год после начала эксперимента в удобренной почве его концентрация увеличилась на 33 мг/кг (F_факт ≥ F_теор), в неудобренной – снизилась на 93 мг/кг (F_факт ≥ F_теор). В противоположность фосфору, содержание калия в гор. Аh уменьшилось как в удобренной, так и в неудобренной почве, хотя внесенное количество калия с удобрениями полностью восполняло его вынос биомассой трав. Возможно, уменьшение концентрации калия было связано с более интенсивным его выщелачиванием в почве луговых угодий.

В залежной почве происходила постепенная аккумуляция фосфора, и за 21 год его концентрация в гор. А увеличилась на 14 мг/кг (F_факт ≥ F_теор). Растения фитоценоза, поглощая фосфор из более глубоких слоев, связывали его в биомассе, при разложении которой в дальнейшем образовывались подвижные соединения фосфора, накапливаясь в верхнем горизонте почвы. Аналогичный процесс происходил и с калием, только из-за более слабой сорбции его соединений в супесчаной почве концентрация подвижного калия за 21 год в гор. А снизилась на 47 мг/кг (F_факт ≥ F_теор).

В почве под сосновым лесом содержание подвижного фосфора за период проведения эксперимента снизилось на 42 мг/кг (F_факт ≥ F_теор), подвижного калия – на 96 мг/кг (F_факт ≥ F_теор), т.к. поглощаемые деревьями элементы на длительное время остаются связанными в биомассе деревьев и не возращаются в почву, как это происходит при минерализации травянистой растительности залежи.

Органический углерод. Конверсия ПП в другие виды землепользования отразилась на процессах минерализации и гумификации растительных остатков, скорость и направленность которых зависела от количества и биохимичекого состава растительности, а также от обработки почвы. Как и следовало ожидать, дальнейшее использование супесчаной почвы в качестве пахотной без применения органических удобрений сопровождалось снижением содержания С_орг, и за 21 год оно уменьшилось на 0.7 мг/кг (F_факт ≥ F_теор) (рис. 2). Частично запасы С_орг восстанавливались за счет выращивания в севообороте многолетних трав и бобовых культур, однако этого было недостаточно для полного восстановления запасов ОВ. Без применения удобрений потери С_орг в ПП были более значительными, и его концентрация снизилась на 2.7 мг/кг (F_факт ≥ F_теор), что было связано с меньшим поступлением растительных остатков в неудобренную почву.

Рис. 2.

Концентрация С_орг (C, мг/кг ± Sх) в почве после трансформации пахотной почвы в другие типы землепользования (2015 г.).

Полученные результаты подтвердили выводы выполненных в разных странах исследований, что в пахотных почвах легкого гранулометрического состава аккумуляция С_орг достигается только при внесении навоза и выращивании бобово-злаковых травосмесей [17–19]. В почвах тяжелого гранулометрического состава, которые обладают более сильной сорбцией, минерализация ОВ проходит более медленно, стабилизировать или увеличить его накопление возможно, применяя зеленое удобрение и солому [20].

Залужение пахотной почвы снизило темпы минерализации ОВ, и даже без внесения удобрений за 21 год в гор. А его концентрация уменьшилась незначительно – только на 0.5 мг/кг (F_факт ≥ ≥ F_теор), в то время как в неудобренной ПП потери были в 5 раз больше. Многие исследователи подтверждают, что для луговых фитоценозов характерна акумуляция С_орг в почве [21, 22]. В работе [23] установили, что более интенсивное накопление С_орг в почве происходит при выращивании нескольких видов трав, и соотношение функциональных групп важно для сохранения запасов углерода и азота в луговой почве. В данном эксперименте в удобренной почве луга концентрация С_орг за 21 год увеличилась на 0.9 мг/кг (F_факт ≥ ≥ F_теор). Следует отметить и тот факт, что в луговой почве также увеличилась толщина гор. А. Только за счет минерализации отмирающей части корневой системы и послеуборочных остатков трав толщина гор. А в неудобренной почве за 21 год увеличилась на 2 см, а в удобренной – на 4 см, что было связано с формированием более обильной корневой системы и надземной массы при внесении минеральных удобрений. В работе [24] утверждали, что в луговых фитоценозах аккумуляция С_орг зависит от величины биомассы корневых систем растений, и комбинация основных бобово-злаковых трав с С₄-типом фотосинтеза позволяет увеличить накопление углерода в экосистеме.

В ЗП, как и в почве КЛ, за 21 год также значительно увеличились толщина гор. Аh (на 4–6 см) и концентрация С_орг (на 0.6 мг/кг, F_факт ≥ F_теор). Хотя на ЗП формируется менее продуктивная по сравнению с КЛ натуральная травяная растительность, однако ее надземная часть не удаляется с поля, и завершившие вегетацию растения минерализуются на поверхности почвы. Это определяет более значительное накопление С_орг в гор. А по сравнению с почвой КЛ. В работе [25] установили, что скорость накопления С_орг в травяных фитоценозах зависит от типа растительности. При формировании на пахотной почве натуральной залежи запасы С_орг в слое 0–20 см за 6 лет увеличились на 5.1%, а когда пахотная земля было преобразована в культурный травостой и потом превращена в залежь, запасы С_орг увеличились на 22.6%.

При облесении малоплодородных пахотных земель существенно изменяется цикл углерода в экосистеме. Его аккумуляция концентрируется в биомассе деревьев, а запасы в почве пополняются в основном за счет углерода микробиоты и опада деревьев. Роль корневых систем в процессе накопления С_орг уменьшается. По данным эксперимента, в супесчаной почве под СЛ за 21 год концентрация С_орг снизилась на 0.9 мг/кг (F_факт ≥ ≥ F_теор), но при этом на 3 см увеличилась толщина гор. Аh. По сравнению с ПП облесение помогло снизить интенсивность минерализации ОВ почвы в 3 раза (Р < 0.05), однако было менее эффективным по сравнению с ЗП и КЛ. Аналогичные данные приведены в работе [26]. Установили, что лесонасаждение хвойными разновидностями деревьев помогает накопить и сохранить в почве запасы углерода, но даже спустя несколько десятилетий после преобразования пахотного угодья в лес, этот эффект был выражен слабо и не компенсировал потери C_орг из-за предыдущего активного культивирования. Сравнивая темпы аккумуляции С_орг в почве, полагают, что в луговых фитоценозах этот процесс идет более активно за счет сильной и хорошо развитой корневой системы трав [27, 28]. В работе [29] уточнили, что в хвойных лесах процесс накопления С_орг зависит от возрата насаждений. В молодых лесах (до 30 лет) наблюдают сокращение запасов ОВ почвы, а в лесах старше 30 лет – их увеличение, что связано с количеством опада, которое зависит от возраста деревьев и его биохимического состава.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Трансформация малоплодородных пахотных угодий в другие типы землепользования в первую очередь должна решать проблемы предотвращения деградации плодородия почвы и вместе с тем учитывать экологические, экономические и социальные последствия изменения сельскохозяйственной деятельности. Результаты эксперимента выявили, что в умеренном климате, после конверсии пахотной земли в другие типы землепользования происходит разнонаправленное изменение агрохимических свойств почвы. С точки зрения стабилизации плодородия более эффективным является формирование залежей. Этот тип землепользования ускоряет секвестрацию С_орг (+0.03 мг/кг в год), не увеличивает кислотность почвы, позволяет сохранить исходное содержание питательных веществ (за исключением легковыщелачиваемых элементов). Однако, такой тип землепользования предусматривает отказ от сельскохозяйственной деятельности и экономически убыточен.

Конверсия пахотной почвы в хвойный лес усиливает эллювиальные прцессы, что отрицательно влияет на ее агрохимические свойства: увеличивается кислотность почвы (–0.02 ед. рН_KCl в год), снижается концентрация питательных веществ и в первоначальный период – концентрация С_орг. Таким образом, при облесении происходит дальнейшая деградация ранее окультуренной пахотной почвы.

Учитывая экологические и экономические аспекты, в зоне умеренного климата малоплодородные пахотные угодья целесообразно трансформировать в культурные луга. Такой тип землепользования способствует увеличению секвестрации углерода в почве (+0.04 мг/кг в год), позволяет повысить продуктивность растений и сохранить сельскохозяйственную деятельность. Однако при залужении пахотных земель увеличивается поглощение растениями базовых элементов и их вымывание из гумусного горизонта почвы, вследствие чего ухудшаются агрохимические показатели: увеличивается кислотность (–0.09 ед. рН_KCl в год), значительно уменьшается концентрация подвижного калия и обменного кальция. При этом типе землепользования для поддержания почвенного плодородия и продуктивности растений, необходимо применение минеральных удобрений и мелиорантов.

Благодарим доктора М. Петрова и доктора С. Марцинкониса, принимавших участие в выполнении эксперимента в 1995–2012 гг.