Агрохимия, 2020, № 10, стр. 28-35

ВВЕДЕНИЕ

Органическое вещество почвы представляет сложный комплекс органических веществ, состоящий из негумифицированных органических веществ растительного или животного происхождения и специфических гумусовых веществ. Гумусовое состояние почв принято характеризовать содержанием гумуса. Его роль в почве многогранна. Гумус играет важную роль в формировании как эффективного, так и потенциального плодородия почвы. От содержания гумуса зависят водно-воздушные, физические, физико-химические, агрохимические, микробиологические и экологические свойства почвы [1]. Любые изменения в структуре севооборотов, системах обработки почвы, удобрения приводят к его количественным и качественным изменениям [2–5]. Разработка и совершенствование методов контроля и прогнозирования содержания гумуса в почвах сельскохозяйственного назначения является важной научной и практической задачей. Расчет баланса гумуса дает возможность оценить характер изменений его содержания в почве при сложившейся системе земледелия.

При оценке гумусового состояния почв наиболее достоверными являются данные, полученные непосредственно при проведении агрохимического анализа почвы. При разработке севооборотов, обосновании агротехнических приемов и мероприятий применяют расчетные методы оценки гумусового состояния. При этом расчеты ведут либо по выносу азота почвы урожаем, либо по нормативным показателям поступления и минерализации органического вещества, установленных по данным полевых опытов. Расчетные методы менее точны, поскольку процессы минерализации и гумификации сложны, зависят от многих факторов, а используемые в расчетах коэффициенты весьма условны. Существенным недостатком имеющихся методов является то, что не учитывается влияние агротехнического фактора. Например, многочисленными исследованиями установлено, что при использовании в севообороте отвальной вспашки интенсивность минерализации гумусовых веществ выше, чем при поверхностной обработке почвы. Не берется во внимание и способ заделки органических удобрений, корневых и пожнивных остатков, хотя исследования свидетельствуют, что при глубокой заделке их минерализация почвенной биотой замедляется, а при поверхностной – ускоряется [6, 7]. При расчете баланса гумуса через азот сравнивают показатели вообще с разными измерениями. Содержание гумуса оценивают в пахотном слое, а потребление азота растениями происходит и из более глубоких слоев почвы. При применении минеральных и органических удобрений можно лишь приближенно оценить, какая доля азота потребляется из почвы, а какая из удобрений. Интервалы коэффициентов использования азота настолько велики, что можно лишь условно считать, какое его количество было поглощено растениями из удобрений, а какое из почвы. Неоднозначными являются и данные по вкладу биологического азота. Все это вносит элементы условности в расчеты и снижает достоверность полученных данных.

Цель работы – совершенствование методики расчета баланса гумуса в севообороте на основе современных представлений о процессах гумификации и минерализации гумусовых веществ почвы.

МЕТОДИКА РАСЧЕТА БАЛАНСА ГУМУСА

В основе предлагаемого метода расчета положен фотобиохимический подход к минерализации гумусовых веществ обрабатываемых почв. Баланс гумуса рассчитывают, как разность между его образованием и минерализацией. Образование гумуса происходит при гумификации органического вещества растений, почвенных животных, органических удобрений, отходов органического происхождения. По способности к образованию гумусовых веществ растительные остатки и органические удобрения значительно отличаются. Максимальное количество гумуса образуется при запашке растительных остатков и соломы, а минимальное – при заделке сидератов (табл. 1). Гумификационные процессы рассматривают в соответствии с окислительно-восстановительными условиями, складывающимися в зависимости от способов заделки органических удобрений и растительных остатков в почву. Глубокая запашка органического вещества обеспечивает анаэробные условия, способствующие восстановительным процессам и гумусообразованию. Поверхностная заделка создает аэробные условия, которые активизируют минерализационные процессы. Интенсивная минерализация гумуса начинается с распашки целинных и залежных земель и вовлечения их в сельскохозяйственное использование [4]. Дегумификационные процессы во многом зависят от интенсивности воздействия на почву. Чем чаще происходит механическое воздействие на почву, тем интенсивнее идет минерализация гумуса. Механизм данного процесса можно представить следующим образом. Минерализация почвенного гумуса происходит за счет фотохимической деструкции гумуса под воздействием солнечного света и большой группы микроорганизмов, которые используют гумусовые веществ как источник питания и энергии. Воздействие солнечной энергии на почву приводит к разрушению сложных по составу и ценных по свойствам гуминовых кислот и образованию более подвижных лабильных гумусовых веществ, которые легко подвергаются микробиологической минерализации [6, 8]. Процесс минерализации зависит от общих запасов гумуса, климатических условий, интенсивности фотохимического воздействия, вида севооборота и применяемой системы обработки почвы. Минимальная минерализация гумусовых веществ почвы происходит под многолетними травами. При этом важную роль в минерализационных процессах играет почвенная фауна. Землеройки, кроты, дождевые черви выносят на поверхность значительные количества почвы, которая в дальнейшем подвергается воздействию солнечного света. Учитывая, что их деятельность носит регулярный характер, ее масштабы весьма существенны. Минерализация органических удобрений и растительных остатков при глубокой заделке замедляется, а при поверхностной – ускоряется (табл. 1). Поскольку фотохимическое облучение – явление поверхностное, то его воздействие на почву зависит от ряда факторов: 1 – зональности почв: чем интенсивнее и продолжительнее воздействие солнечной радиации на почву, тем масштабнее результат деструкции гумусовых веществ; 2 – интенсивности обработки почвы: чем интенсивнее воздействуют на почву, тем чаще обновляется ее облучаемая поверхность и возрастает деструктивное воздействие; 3 – структуры севооборотов: максимальное воздействие солнечной энергии на почву и как следствие наибольшие потери гумуса происходят при обработке чистых паров и возделывании пропашных культур, минимальные – при выращивании многолетних трав; 4 – применяемой агротехники: снижают фотохимическое воздействие поверхностная заделка растительных остатков, использование соломы в качестве мульчи, выращивание многолетних трав, пожнивных и промежуточных культур.

Баланс гумуса в севообороте (Б_гс) складывается из баланса гумуса в почве под отдельными культурами (Б_гк ) и в чистом пару (Б_гчп ):

Баланс гумуса в почве при возделывании культуры – это разность между гумусообразованием, его минерализацией и потерей гумуса при эрозионных процессах:

Гумусообразование в почве происходит за счет гумификации растительных остатков возделываемой культуры (Г_ро (т/га) = У_ро (т/га) × К_гро) и применяемых под культуру органических удобрений (Г_оу (т/га) = Доза оу (т/га) × К_гоу), гумусообразование = Г_ро (т/га) + Г_оу (т/га).

Поступление в почву пожнивных и корневых растительных остатков (У_ро, т/га) зависит от урожайности основной продукции сельскохозяйственных культур и определяется через коэффициенты выхода – К_р или через использование рекомендованных для зоны уравнений регрессии (табл. 2). Гумификация корневых и пожнивных остатков зависит от вида культур и способа заделки их в почву. Коэффициенты гумификации органических удобрений (К_гоу) и растительных остатков (К_гро) представлены в табл. 1. При применении других органических удобрений их следует привести в стандартный подстилочный полуперепревший навоз КРС с учетом пересчетных коэффициентов.

Расход гумуса почв складывается из минерализации и потерь гумуса от эрозии: расход Г = минерализация Г + Г эрозии. Минерализация гумуса зависит от вида возделываемых культур, способов обработки почвы в севообороте и может быть рассчитана через коэффициенты минерализации гумуса. Они установлены на основании обобщения полевых опытов и показывают долю (в %) ежегодной минерализации запасов гумуса пахотного слоя почвы (табл. 3). Потери гумуса в результате эрозии почвы носят локальный характер и зависят от степени ее развития. При наличии эрозионных процессов расчеты ведут согласно степени смытости почвенного покрова [9, 10].

Расчет баланса гумуса следует вести в абсолютных величинах, т.е. в т/га. Вначале определяют общие запасы гумуса (Г_общ) в пахотном слое почвы по формуле:

М – масса пахотного слоя почвы на 1 га, т; С – содержание гумуса в почве, %; 100 – коэффициент для перерасчета.

Массу пахотного слоя рассчитывают по формуле: М (т/га) = h × ОМ × 100, где h – мощность пахотного слоя, см; ОМ – объемная масса почвы, г/см³;

100 – коэффициент пересчета массы почвы из граммов в тонны на площадь 1 га.

Общий запас гумуса в почве можно также рассчитать и по формуле:

ПРИМЕР РАСЧЕТА БАЛАНСА ГУМУСА В СЕВООБОРОТЕ

Для расчета баланса гумуса были использованы данные стационарных опытов, проводимых на опытном поле Марийского государственного университета. Опыт № 1 проводили с 1990 по 1997 г., опыт № 2 – с 2002 по 2008 г. Почва опытов – дерново-среднеподзолистая среднесуглинистая малогумусная. Почва перед закладкой опыта № 1 имела следующие агрохимические показатели: рН_KCl 5.8, Н_г – 1.9 мг-экв/100 г, S_осн – 10.0 мг-экв/100 г, содержание гумуса – 1.85%, легкогидролизуемого азота – 7.0 мг/100 г, подвижных форм фосфора –15.0 и калия – 13.0 мг/100 г почвы. При мощности пахотного слоя 22 см и объемной массе 1.36 г/см³ масса пахотного слоя составляла 2992 т/га (22 × 1.36 ×100), запасы гумуса – 55.35 т/га (22 × 1.36 × 1.85). Почва опыта № 2 перед закладкой имела следующие агрохимические показатели: рН_KCl 6.0, Н_г – 1.6 мг-экв/100 г почвы, S_осн – 13.1 мг-экв/100 г почвы, содержание гумуса – 1.97%, легкогидролизуемого азота – 7.3 мг/100 г почвы, подвижных форм фосфора – 33.7 и калия – 19.4 мг/100 г почвы. При мощности пахотного слоя 22 см и объемной массе 1.35 г/см³ масса пахотного слоя составляла 2970 т/га (22 × 1.35 × 100), запасы гумуса – 58.51 т/га. Результаты исследований в этих опытах были опубликованы в 2012 и 2013 гг. [4, 6]. Вследствие выровненности участка эрозионные потери гумуса при расчетах не учитывали.

Расчет баланса гумуса в опыте № 1. Урожайность культур 1-й и 2-й ротаций севооборота опыта № 1 представлена в табл. 4. Первой культурой 1-й ротации севооборота был рапс, возделываемый на зеленое удобрение, а первой культурой 2-й ротации была викоовсяная смесь, выращиваемая на зеленый корм. Торфо-навозный компост (ТНК) с содержанием азота 0.75, фосфора – 0.57 и калия – 0.51% был внесен в 1996 г. под картофель в дозе 80 т/га.

Расчеты показали, что при выращивании рапса на сидерат баланс гумуса в почве был положительным, а при возделывании зерновых культур – отрицательным. Викоовсяная смесь, выращиваемая на зеленый корм, при использовании в качестве основной обработки почвы отвальной вспашки обеспечила близкий к бездефицитному баланс гумуса, а при применении поверхностной обработки почвы – отрицательный. Возделывание картофеля на неудобренном фоне и при применении минеральных удобрений приводило к отрицательному балансу гумуса. Внесение под картофель в 1996 г. торфо-навозного компоста в дозе 80 т/га обеспечило значительное превышение приходной части баланса над расходной (табл. 5).

В целом за 2 ротации севооборота возделывание сельскохозяйственных культур на неудобренном фоне и при применении минеральных удобрений приводило к отрицательному балансу гумуса, при применении торфо-навозного компоста – к положительному. Корректность произведенных расчетов подтверждают и аналитические данные (табл. 6). Результаты анализов почвы по содержанию гумуса в почве до закладки опыта и после 2-й ротации севооборота были опубликованы в 2013 г. [6]. Фактическое содержание гумуса в почве и расчетное были очень близкими, а различия не выходили за пределы ошибки метода определения. Расчетное содержание гумуса в почве для первого варианта проводили следующим образом: 55.35 т/га – 4.00 т/га × 100 : 2992 т/га = 1.72%.

Корреляционный анализ результатов показал, что связь между содержанием гумуса в почве в конце 2-й ротации севооборота и расчетной величиной была сильной, коэффициент корреляции был равен r = 0.98.

Расчет баланса гумуса в опыте № 2. Урожайность культур в 7-польных севооборотах с разными видами паров представлена в табл. 7. Навоз с содержанием азота 0.46, фосфора – 0.17 и калия 0.48% был внесен в 2002 г. под озимую рожь в дозе 60 т/га. В занятом и сидеральном пару возделывали викоовсяную смесь. В занятом пару ее убрали на зеленый корм, в сидеральном – запахали.

Расчеты показали, что при возделывании зерновых и пропашных культур баланс гумуса был отрицательным. Максимальные потери гумуса были в чистом пару и при возделывании картофеля.

Применение минеральных удобрений несколько снижало дефицит, а внесение навоза 60 т/га обеспечило в чистом пару положительный баланс гумуса. Возделывание в севооборотах клевера значительно пополняло почву органическим веществом и обеспечивало положительный баланс гумуса (табл. 8). В целом за ротацию во всех севооборотах баланс гумуса был отрицательным. Наибольшие потери гумуса (–4.59 т/га) были в севообороте с чистым паром при возделывании культур без применения удобрений, минимальные (–0.39 т/га) – при внесении навоза 60 т/га. Внесение в 7-польном севообороте навоза 60 т/га и выращивание клевера обеспечило близкий к бездефицитному баланс гумуса (табл. 9). Сравнение содержания гумуса в почве в конце ротации севооборотов с расчетными показателями выявило, что они имели близкие величины и хорошо между собой коррелировали. Коэффициент корреляции составил r = 0.96. Различия в содержании гумуса в почве в конце ротации севооборотов с расчетными показателями составляли от 0.5 до 0.1% и одинаково характеризовали изменения гумусового состояния почвы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, представленная методика расчета баланса гумуса в севообороте, учитывающая количество поступившего в почву органического вещества, условия его гумификации и минерализации, позволяет достоверно прогнозировать содержание гумуса в дерново-подзолистой суглинистой почве при сложившейся системе земледелия. Расчеты показали, что в опыте № 1 в целом за 2 ротации севооборота, возделывание сельскохозяйственных культур на неудобренном фоне и при применении минеральных удобрений приводило к отрицательному балансу гумуса, а при применении торфо-навозного компоста 80 т/га – к положительному балансу.

В опыте № 2 наибольшие потери гумуса (‒4.59 т/га) были в севообороте с чистым паром при возделывании культур без применения удобрений, минимальные (–0.39 т/га) – при внесении навоза. Внесение в 7-польном севообороте навоза 60 т/га и выращивание клевера одного года пользования обеспечило близкий к бездефицитному баланс гумуса. Сравнение фактических показателей содержания гумуса в почве опытов с расчетными показало их близкие величины, коэффициенты корреляции между которыми составляли 0.96–0.98.

Поскольку фотохимическое воздействие на гумус почвы – явление поверхностное и зависит от зональности, интенсивности обработки почвы, структуры севооборотов и применяемой агротехники, поэтому в расчетах необходимо использовать коэффициенты, установленные для конкретных почвенно-климатических условий.