Агрохимия, 2020, № 2, стр. 69-76

ВВЕДЕНИЕ

Одним из обязательных требований к адаптивно-ландшафтным системам земледелия является строгая увязка их технологических звеньев (включая и систему удобрения) со всем комплексом ландшафтных условий [1–4]. Естественно, что это предполагает обязательность нетрадиционного почвенно-агрохимического обследования, а более затратного прецизионного картирования сельскохозяйственных угодий с учетом ландшафтно-экологических условий [2, 4–7]. Исследования показали, что последнее объективнее отражает пространственную неоднородность почвенного покрова [8] и позволяет с разной степенью эффективности реализовать точные системы удобрения [7, 9].

Однако существенную проблему в настоящее время представляет практически полное отсутствие аргументированных методических рекомендаций по увязке систем удобрения с конкретными ландшафтными условиями. Имеющаяся на этот счет информация весьма противоречива. Например, в работах [10, 11] напрямую увязан уровень эффективности удобрений с типом геохимического режима почвы в пределах моренного пологого холма. Показано, что оплата удобрений урожаем снижается в нижней части склонов в 2–5 раз. В то же время в исследованиях [12] на пологоволнистой водно-ледниковой равнине существенного влияния геохимических режимов почвы на окупаемость единицы действующего вещества удобрений установлено не было. Кроме того, ситуация существенно усложняется биологическими особенностями питания возделываемых культур в складывающихся агроэкологических условиях и отклика на применение удобрений [4, 12–14]. Все это указывает на необходимость более детальной научной проработки этого вопроса.

В настоящей статье впервые проанализированы данные ландшафтного полевого опыта, выполняемого совместно Агрофизическим НИИ и Санкт-Петербургским ГАУ. Цель работы – оценка эффективности отдельных вариантов методических подходов к пространственной корректировке системы удобрения в полевом севообороте с учетом особенностей ландшафтных условий. В их основу был положен учет вероятного влияния геохимических режимов дерново-подзолистой почвы в пределах пологого склона озерно-ледниковой равнины на условия питания растений и эффективность удобрений.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проводили в Меньковском филиале АФИ в Гатчинском р-не Ленинградской обл. Ландшафтный полевой опыт заложен в 2013 г. в системе полевого севооборота пар чистый – пшеница озимая – овес + многолетние злаковые травы – многолетние травы 1–3-го года пользования – рожь озимая – картофель. Основной объект изучения – агроландшафт, представлен урочищем “Кривое Колено” на пологом склоне озерно-ледникового происхождения северо-западной и западной экспозиции площадью 53.64 га (в том числе 47.3 га пашни и 6.34 га сенокоса). Структура его почвенного покрова сформирована мелкоконтурными комплексами с участием легко- и среднесуглинистых разновидностей дерново-подзолистых глееватых и глеевых почв. Почвообразующая порода – преимущественно мало- и среднемощная тяжелосуглинистая и глинистая опесчаненная морена, подстилаемая с глубины 75–120 см озерно-ледниковой супесью. Коренные породы – красноцветные девонские пески. На пашне преобладают среднеокультуренные почвы с пятнами хорошо- и слабоокультуренных. По данным прецизионного ландшафтного агрохимического обследования, коэффициент вариации агрохимических свойств почв находился в пределах от 27 до 148%, несмотря на единую историю хозяйственного использования угодья.

Для решения поставленных задач на территории агроландшафта было подобрано 5 ключевых участков площадью по 300 м², представляющих агромикроландшафты (АМЛ) с разными геохимическими режимами: № 1 – элювиальным (Э) на среднесуглинистой дерново-слабоподзолистой глееватой почве (занимаемая доля – 17% от площади агроландшафта), № 2 – элювильно-аккумулятивным (ЭА) на легкосуглинистой дерново-слабоподзолистой глееватой почве (занимаемая доля – 8%), № 3 – транзитно-элювиальным (ТЭ) на легкосуглинистой смытой дерново-слабоподзолистой глееватой почве (занимаемая доля – 49%), № 4 – аккумулятивным (А) на среднесуглинистой дерново-слабоподзолистой глееватой почве, сформировавшейся на карбонатной морене (занимаемая доля – 18%), № 5 – аккумулятивным (А) на среднесуглинистой дерново-подзолистой глеевой почве (занимаемая доля – 8%).

На площади каждого ключевого участка в 2013 г. были заложены мелкоделяночные опыты с 4-мя вариантами дифференциации системы удобрения в зависимости от ландшафтных условий: т.н. зональная (ЗСУ), в рамках которой дозы органических и минеральных удобрений определяли на основе зональных рекомендаций для дерново-подзолистых почв и средневзвешенных агрохимических показателей всего агроландшафта, и точная (ТСУ), предусматривающая корректировку доз с учетом преобладающих геохимических режимов почвы. При этом исходили из представления, что в аккумулятивных фациях агроландшафта формируются естественные барьеры для горизонтальной и вертикальной миграции биогенных элементов. Кроме того, в них высока вероятность пониженной микробиологической активности вследствие недостатка тепловых ресурсов (особенно в начале вегетации), что негативно сказывается на использовании питательных элементов, в первую очередь органических удобрений. Для элювиальных фаций агроландшафта свойственны повышенные непродуктивные потери питательных веществ почвы и удобрений.

В схеме опыта были предусмотрены 3 методических варианта корректировки доз удобрений: ТСУ-1 – дифференцировали в пространстве только дозы органического удобрения (в элювиальном АМЛ повышали на 30%, в аккумулятивных – снижали на 38%); ТСУ-2 – только минеральных удобрений (коррективы при этом имели противоположную направленность); ТСУ-3 – обоих видов удобрений (общая доза NPK в элювиальном АМЛ увеличивалась на 12%, в аккумулятивных – уменьшалась на 14%). Распределение удобрений по полям севооборота и вариантам опыта представлено в табл. 1.

В качестве органического удобрения применяли торфо-пометный компост (ТПК), содержащий 43.4% сухого вещества, 46.7% золы, 0.35% N, 1.18% P₂O₅, 0.86% K₂O и 1.90% СаО, который вносили в раннем чистом пару под вспашку. Калийные удобрения в форме K_х вносили под предпосевную обработку почвы, азотные – в форме N_аа – в подкормку в фазе начала весеннего отрастания пшеницы озимой. Под овес полную дозу минерального удобрения в форме АФК, N_аа и K_х вносили под предпосевную культивацию почвы.

Опыты развернуты на базе 7-польного полевого севооборота. В работе проанализированы данные его первого зернопарового звена пар чистый – озимая пшеница – овес + многолетние злаковые травы. Площадь опытной делянки – 20 м², повторность трехкратная. Учет урожая – сплошной весовой. Химические анализы выполняли по соответствующим стандартным методикам в аккредитованной испытательной лаборатории и лаборатории методологии опытного дела АФИ. Статистическая обработка данных проведена дисперсионным методом с использованием программного пакета Stat.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Дифференциация свойств почвы в изученных агромикроландшафтах в основном повторяла показатели вариабельности в целом в агроландшафте, т.е. была умеренной по гранулометрическому составу и величине рН_KCl, значительной – по мощности генетических горизонтов и всего почвенного профиля, степени развития глеевого процесса, структурному состоянию, содержанию органического вещества и высокой – по показателям питательного режима (табл. 2). Вклад в ее формирование внесли неоднородность состава и свойств моренных отложений, а также специфика геохимических режимов и антропогенной земледельческой деятельности [8, 12, 14].

При этом вариабельность урожайности возделываемых в опыте зерновых культур была еще большей. Коэффициент вариации урожайности зерна в агромикроландшафтах достиг 23% у пшеницы озимой, 34% – у овса и 24% – в звене севооборота в целом при его средних показателях представленных агрофизических и агрохимических свойств 16 и 20% соответственно. Это указывало на важную роль всего комплекса ландшафтных условий, а не только агрохимических и агрофизических свойств почвы. Существенное значение имела и изменчивость погодных условий.

Метеоусловия 2013–2014 гг. были удовлетворительными для посевов пшеницы озимой. Избыток осадков в год посева пшеницы, а также в мае 2014 г. существенного ущерба урожаю не причинил. Средняя урожайность зерна этой культуры в варианте без удобрений составила 2.71 т/га (табл. 3) и вполне соответствовала уровню окультуренности почвы. Хотя урожайность зерна овса в аналогичном варианте была больше – 3.3 т/га. Можно предположить, что имевший место в 2014 г. дефицит осадков (64% от средней многолетней нормы), с учетом возделывания культуры на суглинистой глееватой почве, оказался даже желательным.

Минимальная урожайность зерна пшеницы озимой и овса получена в транзитно-элювиальном АМЛ № 3 и аккумулятивном АМЛ № 5 – 1.83 и 2.48, 2.57 и 1.84 т/га соответственно. В числе возможных причин этого могли быть в первом случае последствия плоскостной эрозии, во втором – сильное развитие глеевого процесса и неудовлетворительные кислотно-основные свойства почвы. Тем не менее, с учетом разной потребности овса и озимой пшеницы в почвенных условиях их отклик на размещение в данных фациях был неоднозначен. Более пластичная и менее требовательная культура овса в неблагоприятных почвенно-агрохимических условиях ожидаемо должна была превосходить пшеницу озимую, что подтвердилось 36%-ным преимуществом лишь в транзитно-элювиальном АМЛ № 3 на смытой дерново-подзолистой почве. На среднекислой дерново-подзолистой глеевой почве АМЛ № 5 вопреки базовым прогнозам урожайнее на 40% оказалась озимая пшеница. Объяснение этому могла дать более детальная оценка складывающихся агроэкологических условий.

Озимая пшеница, возделываемая после чистого пара, очень чутко отреагировала на параметры азотного питательного режима, сформировавшегося в допосевной период. Содержание подвижных соединений азота (N-NH₄ + N-NO₃) в эродированной, малогумусированной, с нарушенной структурой почве АМЛ № 3 перед посевом культуры было в 2.2 раза меньше, чем в среднегумусированной почве АМЛ № 5 (38 против 84 мг/кг). Это отрицательно повлияло на все факторы продуктивности культуры (более всего – на продуктивную кустистость), снизившие урожайность зерна на 29%. Для развития овса негативные последствия имел длительный период низкой теплообеспеченности в начале вегетации, а точнее – вызванные им острый недостаток азота из-за снижения микробиологической активности почвы и эпифитотийное развитие красно-бурой пятнистости. Наиболее критично эти факторы сочетались в самом холодном АМЛ № 5, где урожайность культуры снизилась относительно фаций АМЛ № 3, 4 и 1, на 26, 50 и 60% соответственно.

Из 5-ти изученных ландшафтных фаций заметным превосходством по уровню эффективного плодородия обладал элювиальный АМЛ № 1. Условия для его реализации урожайностью зерна и соломы в 4.55 и 5.98 т/га получил овес. Продуктивность этой культуры в этом случае оказалась на 14–147% больше, чем в других фациях, в т.ч. и в более предпочтительных с позиций потенциального участия в питании геохимических потоков питательных веществ аккумулятивных АМЛ № 2 и № 4.

Напротив, формирование зерна озимой пшеницы происходило на фоне выраженного недостатка влаги, наиболее остро проявившегося в элювиальном АМЛ № 1. Полевая влажность почвы варьировала в пределах 14.7–16.2%, в аккумулятивных фациях была на 2.4–4.3% больше. Из-за снижения по этой причине выживаемости растений к уборке и выполненности зерна продуктивность культуры на наиболее плодородной почве АМЛ № 1 оказалась идентичной варианту с наименее плодородной смытой почвой АМЛ № 3.

В целом в зависимости от величины продуктивности зернопарового звена севооборота изученные в опыте ландшафтные фации сформировали убывающий ряд: АМЛ № 1 ≥ АМЛ № 4 > > АМЛ № 2 > АМЛ № 5 > АМЛ № 3, в значительной мере определяемый комплексом агрохимических и агрофизических свойств почвы.

Результаты опыта не указывали также на наличие устойчивой связи между геохимическим режимом почвы и эффективностью системы удобрения. Наиболее высокие абсолютные (5.32–6.64 т з.е./га) и относительные (107–133%) прибавки урожайности зерновых и продуктивности звена севооборота получены в транзитно-элювиальном АМЛ № 3 на смытой почве, что согласуется с представлениями [15] о возрастании эффективности удобрений на эродированных почвах.

Минимальную отдачу от удобрений отметили в аккумулятивной фации (АМЛ № 5) и элювиальной (АМЛ № 1). Очевидно, и в данном случае основной причиной стало сочетание литогенного фактора с погодно-климатическим.

Интенсивное развитие глеевого процесса в почве АМЛ № 5 на фоне повышенной кислотности не могло не сопровождаться ухудшением условий вегетации растений и уменьшением коэффициента использования питательных веществ удобрений. Внешне это выражалось в интенсивном развитии надземной биомассы, раннем полегании посевов удобренных вариантов и увеличением доли соломы в общей продуктивности зерновых культур на 16–27%. В почве АМЛ № 4 (тоже аккумулятивная фация агроландшафта), основная часть корнеобитаемого слоя которой не была затронута глеевым процессом, а почвообразующая порода обладала карбонатами кальция и магния, отдача от удобрений была в 2 раза больше.

В элювиальной фации (АМЛ № 1) снижение окупаемости удобрений могло быть следствием лучшей окультуренности почвы верхней части склона, где в прошлом регулярно формировали бурты подстилочного навоза и торфо-навозного компоста (на практике это часто сопровождается завышением доз удобрения на прилегающей территории со всеми вытекающими из этого, в т.ч. и негативными, последствиями [16]). Однако, вероятнее всего, более важную негативную роль в этом направлении сыграли засушливые условия периода налива зерна озимой пшеницы, снизившие прибавку урожая от удобрений в 2.4–3.0 раза. Подтверждением данного факта служили весьма значительные показатели эффективности удобрений в данной фации для культуры овса.

Таким образом, хотя в звене полевого севооборота на фоне одинаковых доз удобрений (вариант ЗСУ) и наблюдали сильную дифференциацию показателей агрономической эффективности отдельных АМЛ (прибавка урожайности от 37 до 107%, оплата 1 кг NPK – от 1.7 до 4.1 з.е., коэффициент вариации урожайности зерна пшеницы и овса – 22 и 27%), объяснять ее только местоположением посевов в рельефе и спецификой геохимического режима оснований недостаточно. Необходим поиск методических решений, способных вычленить действие других факторов, в частности антропогенного и погодного. Например, дефицит осадков может сопровождаться в одних фациях агроландшафта снижением, а в других – повышением эффективности удобрений.

Тем не менее, данные исследования показали целесообразность дифференциации доз удобрений с учетом ландшафтных условий (точнее, в зависимости от расположения сельскохозяйственной культуры в пределах пологого склона). Причем в целом в агроландшафте все 3 изученных варианта корректировки доз обеспечили практически одинаковое повышение (на 8–10%) продуктивности звена севооборота относительно варианта ЗСУ. Определенное преимущество (21–24% оплаты единицы действующего вещества) имели варианты точной системы удобрения (ТСУ-1 и ТСУ-3), где дифференцированно вносили органическое удобрение, обеспечившее поступление от 54 до 81% NPК.

Отзывчивость озимой пшеницы и овса на точные системы удобрения имела ряд особенностей, но в масштабе всего обрабатываемого агроландшафта выражалась в прибавке урожайности зерна на 0.31–0.52 и 0.24–0.56 т/га соответственно. Существенный эффект от изученных принципов корректировки доз удобрений был получен на фоне всех типов геохимических режимов. Отсутствие его в элювиально-аккумулятивном АМЛ № 2 объясняется несущественностью различий с вариантом ЗСУ. Максимальная агрономическая эффективность точных систем удобрения вполне ожидаемо достигалась в транзитно-элювиальном АМЛ № 3. Повышение окупаемости единицы действующего вещества удобрений в среднем в 3‑х вариантах корректировки доз составило в элювиальном АМЛ 30, транзитно-элювиальном – 35, аккумулятивном – 36% (в среднем в агроландшафте – 29%). Сохранится ли такая закономерность на остальных культурах севооборота, покажут дальнейшие исследования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данные ландшафтного полевого опыта подтвердили факт значительной, хотя и неодинаковой дифференциации отдельных агропроизводственных свойств пахотной дерново-подзолистой почвы в пределах пологого склона, обусловленной комплексом факторов. При этом уровень вариабельности продуктивности зерновых культур и звена полевого севооборота в зависимости от местоположения в рельефе был еще бóльшим. В варианте без удобрений продуктивность звена севооборота в пределах изученных фаций агроландшафта изменялась от 4.98 до 8.68 т з.е./га и в значительной мере определялась сочетанием агрохимических и агрофизических свойств почвы.

Ландшафтные условия в сочетании с погодно-климатическим фактором оказывали значительное влияние на эффективность системы удобрения. Окупаемость 1 кг NPK в варианте ЗСУ менялась от 1.7 до 4.1 з.е. Но увязывать этот факт только с влиянием геохимических режимов почвы, как считают отдельные исследователи, нет достаточных оснований. Об этом свидетельствовал неодинаковый уровень эффективности удобрений в 2-х аккумулятивных фациях единого агроландшафта, а также его закономерная зависимость от параметров эффективного плодородия почвы. Сделать объективное заключение о фактическом значении геохимического режима на основе принятой методики полевого опыта не позволяет отсутствие возможности вычленения действия других факторов (неоднородности предшествующего антропогенного воздействия на почву, погодных условий и др.).

Изученные варианты дифференциации доз удобрений с учетом ландшафтных условий обеспечили повышение продуктивности зернопарового звена севооборота на 8–10% и окупаемости урожаем 1 кг NРК в среднем на 29%. В условиях опыта, в котором приходные статьи баланса элементов питания более чем на 50% формировались за счет органического удобрения, достаточной была корректировка доз только этого вида удобрений с учетом специфики его минерализации в отдельных фациях агроландшафта. Для разработки всесторонне обоснованных рекомендаций дифференциации системы удобрения на основе ландшафтных карт необходимо накопление соответствующего объема научной информации.