Агрохимия, 2020, № 4, стр. 3-12

ВВЕДЕНИЕ

Среди видов работ в земледелии механическая обработка почвы оказывает многостороннее влияние на многие свойства почвы. Это влияние многократно усиливается при длительном применении той или иной системы обработки почвы. Знание закономерностей изменения почвенного плодородия при разработке ресурсосберегающих технологий производства зерна в сравнении с отвальной системой обработки почвы имеет актуальное и приоритетное значение [1, 2].

Необходимым условием поддержания и повышения почвенного плодородия пахотных почв является внесение в почву органических удобрений, сидерация, возврат в почву побочной продукции урожая и других источников органического вещества. Общеизвестно, что внесение навоза обеспечивает существенное повышение содержания органического вещества в почве. Клевер оставляет в почве значительное количество биологического азота. В исследованиях [3] внесение навоза, посев многолетних бобовых культур способствовали улучшению комплекса агрохимических показателей почвы и повышению продуктивности севооборота. Горчица белая в качестве сидерального пара относится к легкомобилизуемым микроорганизмам и органическим веществам, поэтому ее роль в регулировании биологической активности почвы весьма значительна [4, 5]. Солома зерновых культур с высоким содержанием углерода является ценным материалом для синтеза органического вещества почвы. Однако непосредственная заделка соломы оказывает депрессирующее влияние как на почву, так и на возделываемые культуры, зачастую снижая их урожайность из-за образования токсичных и кислых продуктов разложения органического вещества, а также иммобилизации минерального азота почвы [6]. Ученые Марийского НИИСХ подтверждают целесообразность использования клевера, сидератов и соломы в качестве наиболее экономичных источников органического вещества [7].

Поступление растительных остатков в почву служит важным фактором увеличения биологической активности почвы, накопления микробной массы, что предохраняет элементы питания растений от вымывания, снижает загрязнение грунтовых вод и окружающей среды. Поступая в почвенный раствор в процессе медленного и непрерывного разложения органической массы в течение летнего периода, питательные элементы не накапливаются в избыточных количествах, способствуют экономному расходованию и сохранению почвенного плодородия [8]. Направленность трансформации органического вещества в почве зависит от многих факторов, в том числе и от обработки почвы [9, 10]. Изменение агрохимических показателей почвы в зависимости от системы обработки почвы и вносимых органических удобрений позволяют оценить степень их воздействия на почвенное плодородие.

Цель работы – выявить влияние длительного применения систем обработки почвы (отвальной, комбинированной, безотвальной), вида пара (чистого, чистого с внесением навоза, сидерального горчичного и сидерального клеверного), а также соломы озимой ржи на агрохимические свойства пахотного слоя почвы.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проводили в стационарном полевом опыте в начале 2-й ротации севооборота: пары (2014 г.) – озимая рожь (2015 г.) – яровая пшеница с подсевом клевера (2016 г.) – клевер 1 года пользования (г.п.) (2017 г.) – озимая рожь (2018 г.) – ячмень – овес. Почвенные пробы отбирали осенью после посева озимой ржи в 2014 г. и после ее уборки в 2015 и 2018 гг. Схема опыта включала 3 системы основной обработки почвы (фактор А): 1 – отвальная (О) – ежегодная вспашка на 20 см (контроль); 2 – комбинированная (К) – вспашка для заделки дернины клевера на 20 см в 2009 г., вспашка в пару под озимую рожь в 2014 г., вспашка дернины клевера в 2017 г., безотвальные обработки на 12–16 см под остальные культуры севооборота; 3 – безотвальная (Б) – ежегодная безотвальная обработка на 12–16 см. Варианты обработки почвы расщеплены видами паров (2014 г.) и внесением соломы озимой ржи в объеме урожая (4 т/га) в 2015 г. при уборке зерновым комбайном с измельчителем соломы (фактор В): 1 – чистый пар без органических удобрений (контроль); 2 – чистый пар + солома (С); 3 – чистый пар с внесением навоза КРС 60 т/га (Нав); 4 – чистый пар с внесением навоза КРС 60 т/га + солома (Нав+С); 3 – сидеральный пар (зеленая масса горчицы белой 12.5 т/га) + солома (Г+С); 4 – сидеральный пар (зеленая масса клевера 1 г.п. 13.0 т/га) + солома (Кл+С). Для ускорения разложения соломы осенью в 2015 г. был внесен азот из расчета 10 кг/т соломы. Навоз, биомасса горчицы и клевера в паровом поле были заделаны в почву в соответствии со схемой опыта в вариантах фактора А с предварительной дискацией в 2 следа за 1 мес. до посева озимой ржи. Вариант сидерального клеверного пара был заложен по завершении 1-й ротации в 2013 г., когда был проведен уравнительный посев яровой пшеницы на всем опытном участке с подсевом клевера в вариантах, где по схеме опыта должен быть сидеральный клеверный пар в 2014 г. Повторность опыта четырехкратная, площадь делянки 130 м².

Почва опытного участка – агродерново-подзолистая слабосмытая среднесуглинистая на покровных глинах и тяжелых суглинках. В пахотном слое на начало закладки опыта (2006 г.) содержалось гумуса 1.85%, подвижного фосфора – 316–317 мг/кг, обменного калия – 115–119 мг/кг, сумма поглощенных оснований (S_осн) составляла 16.5–17.4 ммоль/100 г почвы, гидролитическая кислотность (Н_г) – 1.77–1.78 ммоль/100 г почвы, рН_KCl 5.7–5.8, степень подвижности фосфора и калия соответственно – 0.52–0.54 и 2.80–3.25 мг/100 г почвы.

Почвенные образцы отобраны по ГОСТ 17.4.3.01-83 и проанализированы в лаборатории биохимического анализа Удмуртского НИИСХ общепринятыми методами: подвижный фосфор и обменный калий – по Кирсанову в модификации ЦИНАО – (ГОСТ 26207-91); степень подвижности фосфора в 0.03 н. К₂SО₄, степень подвижности калия – в 0.05 н. СаСl₂; рН_KCl – потенциометрическим методом (ГОСТ 26483-85), гидролитическая кислотность – по Каппену (ГОСТ 26212-91), сумма поглощенных оснований – по Каппену–Гильковицу (ГОСТ 27821-88); обменный кальций и обменный магний (Са и Мg) – в 0.1 н. NaCl (ГОСТ 26487-85); обменная кислотность и подвижный алюминий – по Соколову; нитратный азот (N-NO₃) – ионометрическим методом (ГОСТ 26489-85); аммиачный азот (N-NH₄) – с реактивом Несслера (ГОСТ 24689-85).

Статистическую обработку результатов исследования проводили методом дисперсионного и корреляционного анализов, с использованием программы STRAZ.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В наших исследованиях длительное проведение безотвальной зяблевой обработки почвы (2006–2013 гг.) в сравнении с отвальной и комбинированной существенно не изменило агрохимические свойства пахотного слоя 0–20 см, но в среднем в опыте на начало 2-й ротации (2014 г.) способствовало увеличению гидролитической кислотности до 3.33 ммоль/100 г. При отвальной обработке она составила 3.09, комбинированной – 3.00 ммоль/100 г при НСР₀₅ = 0.24. При безотвальной обработке отмечена тенденция к снижению содержания обменного магния до 3.39 мг-экв/100 г (при отвальной обработке – 3.97, комбинированной – 3.91 мг-экв/100 г) (табл. 1).

Отсутствие механической обработки почвы в течение одного года (период вегетации озимой ржи) привело к дифференциации пахотного слоя по содержанию основных элементов питания. В вариантах с безотвальной и комбинированной обработками, где растительные остатки располагались преимущественно в верхней части пахотного слоя, содержание подвижного фосфора в слое 0–10 см было меньше – 317 и 318 мг/кг, чем при отвальной обработке – 339 мг/кг почвы. В нижней части пахотного слоя (10–20 см) при одинаковом содержании подвижного фосфора (327–337 мг/кг), его подвижность при безотвальной обработке была меньше – 0.47 мг/100 г, чем при отвальной и комбинированной – 0.55–0.56 мг/100 г почвы (табл. 2, рис. 1). Таким образом, концентрация легкогидролизуемого органического вещества в слое 0–10 см почвы снижала содержание подвижных форм фосфора. Во время разложения растительных остатков в этом слое почвы происходит увеличение популяции микроорганизмов и, следовательно, возрастает также потребность в фосфоре. По мнению [11], в разлагаемом органическом веществе критическое содержание фосфора составляет ≈0.2%; при его концентрации выше и ниже будет происходить соответственно чистая минерализация или иммобилизация. Предположили, что в данном случае происходила биологическая аккумуляция подвижного фосфора почвенными микроорганизмами. После уборки 4-й культуры севооборота в 2018 г. снижение содержания подвижного фосфора до 238 мг/кг и его подвижности до 0.56 мг/100 г в сравнении с отвальной и комбинированной обработками (246–256 мг/кг и 0.60–0.67 мг/100 г при НСР₀₅ = = 14 мг/кг и 0.04 мг/100 г) отмечено при безотвальной обработке только в слое 10–20 см (табл. 3).

Рис. 1.

Содержание подвижных форм фосфора и калия в пахотном слое в зависимости от системы обработки почвы (средние за 2015 и 2018 гг.).

Дифференциация пахотного слоя по содержанию обменного калия и степени его подвижности, независимо от примененной системы обработки почвы, была обусловлена большей подвижностью его соединений в почве. Содержание обменного калия в вариантах опыта тесно коррелировало со степенью его подвижности, r = 0.857. В среднем в вариантах обработки почвы в 2015 г. в слое 0–10 см обменного калия содержалось 147–167, в слое 10–20 см – 98–117 мг/кг, его подвижность соответственно – 1.92–2.10 и 1.28–1.60 мг/100 г почвы. Наибольшая разница между слоями почвы по содержанию подвижных форм калия отмечена на фоне безотвальной системы обработки почвы (табл. 2). Аналогичное распределение подвижных форм калия по профилю пахотного слоя отмечено в 2018 г. (табл. 3). Снижение подвижности фосфора и калия в слое 10–20 см в варианте с безотвальной системой обработки почвы в сравнении с отвальной было связано с естественным процессом почвообразования в условиях промывного режима в отсутствие оборота пласта. При безотвальной обработке затруднено поступление органического вещества в нижнюю часть пахотного слоя, происходит естественное его уплотнение, создаются анаэробные условия для физико-химико-биологических процессов. В 2015 г. в варианте с безотвальной обработкой плотность слоя 10–20 см почвы составила 1.29 г/см³. На фоне отвальной обработки, при ежегодном обороте верхнего и нижнего слоев, плотность этого слоя составила 1.26 г/см³. В наших исследованиях плотность почвы отрицательно коррелировала со степенью подвижности фосфора, r = –0.445, со степенью подвижности калия – r = –0.489.

Величины содержания подвижных элементов питания в пахотном слое почвы в зависимости от системы обработки почвы в среднем за 2015 и 2018 гг. показали тенденцию к снижению содержания подвижного фосфора при комбинированной и безотвальной системах обработки почвы, степени подвижности фосфора при безотвальной обработке, содержания обменного калия и степени его подвижности в слое 10–20 см при комбинированной и безотвальной системах обработки, но увеличение его содержания и степени подвижности в слое 0–10 см (рис. 1). Физико-химические свойства пахотного слоя (S_осн, Н_г, рН_KCl, Ca, Mg) в зависимости от изученных систем обработки почвы существенных различий в 2015 и в 2018 гг. не имели. Изменения этих показателей представлены на рис. 2, в табл. 4, 5.

Рис. 2.

Содержание Mg в пахотном слое 0–20 см почвы (а), суммарное содержание Са и Mg (б) в зависимости от вида пара (2015 г.), мг-экв/100 г.

Таким образом, установлено, что длительная безотвальная основная обработка почвы в сравнении с отвальной в слое 0–10 см способствовала увеличению содержания обменного калия, его подвижности, но снижала содержание подвижного фосфора. Нижняя прослойка пахотного слоя (10–20 см), при безотвальной обработке, наоборот, обеднялась элементами питания, снижались содержание подвижного фосфора, обменного калия, их подвижность.

Внесение навоза и использование сидеральных (горчичного и клеверного) паров существенно повлияло на агрохимические свойства пахотного слоя почвы. От внесения навоза, независимо от системы обработки почвы, в 2014 г. возросло содержание основных элементов питания, но статистически доказуемым это увеличение было только для калия – 174 мг/кг. Показатель подвижности калия и фосфора в варианте с навозом имел наибольшие величины – 1.64 и 2.11 мг/100 г, показатель обменной кислотности рН_KCl был равен 5.66. В варианте с навозом отмечено наибольшее содержание обменного кальция – 12.6 и обменного магния – 4.21 мг-экв/100 г. Соответственно возросла и сумма поглощенных оснований до 12.9 ммоль/100 г (табл. 1). Положительное влияние навоза на агрохимические свойства пахотного слоя почвы сохранилось в 2015 и 2018 гг. (табл. 2–5).

Внесение в пару зеленого удобрения (горчица, клевер) иначе, чем навоз, повлияло на агрохимические показатели пахотного слоя. В сидеральных парах (2014 г.) наблюдали увеличение содержания обменного калия на 22.5 и 14.7% (136 и 127 мг/кг), в сравнении с чистым паром (111 мг/кг), после сидерального горчичного пара возросла его подвижность до 1.51 мг/100 г. В чистом пару она составила 1.27 мг/100 г. Можно отметить тенденцию к снижению содержания подвижного фосфора в вариантах с сидеральными парами до 317–313 мг/кг, после чистого и унавоженного паров фосфора содержалось 331 и 356 мг/кг (табл. 1). Через год после уборки озимой ржи содержание обменного калия в вариантах с сидеральными горчичным и клеверным парами, а также его подвижность были на уровне контрольного варианта с чистым паром. Сохранилось снижение содержания подвижного фосфора в варианте с сидеральным клеверным паром в сравнении с чистым, на 74 мг/кг в слое 0–10 см (281 мг/кг) и на 66 мг/кг в слое 10–20 см (295 мг/кг) при НСР₀₅ = 44 и 51 мг/кг. Соответственно и подвижность фосфора в варианте с сидеральным клеверным паром была наименьшей – 0.42 и 0.39 мг/100 г. В варианте с чистым паром степень подвижности фосфора составила 0.57 и 0.55 мг/100 г (табл. 2). В 2018 г. в среднем в опыте сохранилась тенденция к снижению содержания подвижного фосфора в варианте с сидеральным клеверным паром. В слое 0–10 см фосфора содержалось 224 мг/кг (в других вариантах – 239–269 мг/кг), в слое 10–20 см – 232 мг/кг (238–266 мг/кг) соответственно. Подвижность фосфора в этом варианте также была наименьшей в опыте (табл. 3). Таким образом, существенное снижение содержания подвижного фосфора в пахотном слое почвы от внесения зеленой массы клевера 13 т/га подтвердило сделанное выше предположение о биологической аккумуляции фосфора почвы. Данный вывод не противоречит результатам исследований [12], где отмечено, что совместное внесение органических и минеральных удобрений способствовало снижению доли минеральных фосфатов. В представленном исследовании в 1-й ротации также отмечали снижение содержания подвижного фосфора в вариантах с внесением соломы озимой ржи [13]. На нарушение сложившегося равновесия между органическими и минеральными формами азота при внесении большого количества органического вещества в почву указано в работе [14]. Известно, что органический фосфор не усваивается растениями. Питание растений происходит за счет минеральных соединений фосфора, а органический фосфор принимает в нем участие по мере минерализации, являясь запасным материалом [15].

Виды пара (чистый, унавоженный, сидеральные) в опыте оказали существенное влияние на физико-химические свойства пахотного слоя почвы. В вариантах с сидеральными горчичным и клеверным парами в год внесения биоресурсов гидролитическая кислотность почвы была существенно меньше (2.90 и 2.88 ммоль/100 г) в сравнении с чистым и унавоженным парами (3.36 и 3.42 ммоль/100 г) при НСР₀₅ = 0.21 ммоль/100 г (табл. 1). В 2015 г. этот показатель существенно понизился, не зависел от вида пара и составил в слое 0–20 см почвы 1.51–1.88 ммоль/100 г почвы (табл. 5). В 2018 г. в вариантах с любым сочетанием биоресурсов этот показатель был меньше на 15.6–50.8%, чем в контрольном варианте без биоресурсов (5.27 ммоль/100 г). Показатель обменной кислотности рН_KCl соответственно был выше – 5.31–5.91 против 5.08 в контроле без удобрений. Корреляционная связь между этими показателями была сильной и обратной, r = –0.84. В слоях 0–10 и 10–20 см не выявлено существенной разницы показателей кислотности. Таким образом, установлено, что при внесении в почву свежего органического вещества гидролитическая кислотность снижалась независимо от системы обработки почвы.

Содержание обменных оснований кальция и магния в пахотном слое почвы также подверглось существенному изменению при внесении биоресурсов. В паровом поле отмечено существенное увеличение содержания обменного кальция в вариантах с внесением навоза – до 12.6 мг-экв/100 г и биомассы клевера – до 12.5 мг-экв/100 г в сравнении с чистым и сидеральным горчичным парами (11.6 и 12.0 мг-экв/100 г) при НСР₀₅ = 0.8 (табл. 1). В 2015 и в 2018 гг. повышенное содержание кальция отмечено только в вариантах с внесением навоза. В вариантах с сидеральными парами и последующим внесением соломы содержание кальция было наименьшим в опыте – 11.0 мг-экв/100 г, в контроле – 11.9 мг-экв/100 г при НСР₀₅ = 0.7.

Обменный магний оказался более подверженным влиянию внесения свежего органического вещества в почву. В сидеральных парах в 2014 г. обменного магния было меньше (3.46 и 3.50 мг-экв/100 г) в сравнении с чистым и унавоженным парами (3.85 и 4.21 мг-экв/100 г). В 2015 г. в вариантах с внесением органических удобрений в пару: навоза 60 т/га, зеленой массы горчицы 12.5 т/га, клевера 13.0 т/га, отмечено существенное снижение содержания обменного магния в пахотном слое почвы в сравнении c чистым паром, как в верхней (3.79–4.34 мг-экв/100 г), так и в нижней (3.34–4.15 мг-экв/100 г) прослойке пахотного горизонта. В контроле без удобрений его содержание составило 5.68 и 5.34 мг-экв/100 г при НСР₀₅ = 0.82 (рис. 2). Очевидно, это было связано с биологической аккумуляцией этого элемента в почве при внесении большого количества легкогидролизуемого органического вещества. Суммарное содержание обменных кальция и магния также было меньше в вариантах с внесением органических удобрений (рис. 3). В исследовании [16] показано, что в сидеральных парах, как правило, снижалось содержание обменного магния в сравнении с контролем (черным паром).

По данным агрохимического анализа 2015 г., внесение навоза за счет поступления в почву несвойственных ей, активных штаммов микроорганизмов и сидеральные пары за счет внесения большого количества легкогидролизуемого органического вещества и существенного изменения микробного пула почвы оказали разнонаправленное влияние на агрохимические свойства пахотного слоя почвы. В среднем в опыте в вариантах с сидеральными парами (горчичным и клеверным) в сравнении с чистым и унавоженным, независимо от системы обработки почвы, с последовательным изменением показателей кислотности почвы в сторону понижения, уменьшились: содержание в пахотном слое подвижного фосфора, обменного калия, степень подвижности фосфора и калия, содержание аммонийного азота, а также обменного магния. Содержание обменного кальция, подвижного алюминия и нитратного азота, наоборот, увеличивалось в вариантах с сидеральными парами в сравнении с чистыми (табл. 4).

Ввиду особенностей химического состава, солома, внесенная в 2015 г. в разных сочетаниях с биоресурсами, внесенными в пару (навозом, биомассой горчицы и клевера) оказала существенное влияние на химические и физико-химические свойства пахотного слоя почвы в 2018 г. (табл. 3, 5). В среднем в опыте сочетание сидерального клеверного пара с последующим внесением соломы озимой ржи не обеспечило повышения содержания подвижного фосфора и обменного калия в пахотном слое в сравнении с контролем без удобрений. На фоне внесения соломы сохранилась тенденция к снижению содержания подвижного фосфора и степени его подвижности в варианте с сидеральным клеверным паром. При этом, в варианте, где солома была внесена в сочетании с чистым паром, содержание подвижного фосфора было наибольшим: в слое 0–10 см – 269, в слое 10–20 см – 266 мг/кг, содержание обменного калия – на уровне чистого пара без удобрений. В вариантах с внесением соломы существенно возросло содержание аммонийного азота и снизилось содержания обменного магния. Содержание аммонийного азота в пахотном слое составило 2.31–2.72 мг/100 г, в вариантах с чистым и унавоженным парами без дополнительного внесения соломы – 1.84 и 2.05 мг/100 г (НСР₀₅ = 0.33). Содержание нитратного азота отмечено на уровне следов. Обменного магния в вариантах с соломой содержалось 2.43–2.91, без соломы – 3.63–3.73 мг-экв/100 г (НСР₀₅ = 0.80). Внесение соломы существенно понизило гидролитическую кислотность пахотного слоя почвы до 2.59–4.68 ммоль/100 г в сравнении с контрольным вариантом – чистым паром без соломы (5.27 ммоль/100 г), Изменение кислотности в сторону ее снижения в вариантах с внесением соломы и наиболее существенное – в варианте с чистым паром (Н_г = = 2.29 ммоль/100 г, рН_KCl 5.91) – в сравнении с контролем чистым паром (Н_г = 5.27 ммоль/100 г. рН_KCl 5.08) было обусловлено более медленным разложением соломы без дополнительного источника азота. Дефицит азота при разложении соломы в почве компенсируется многими источниками, в том числе деструкцией органического вещества почвы, имеющего кислую реакцию, в частности фульвокислот. Такое заключение было сделано в предыдущих исследованиях на основании того, что в вариантах с внесением соломы содержание специфического гумуса и фульвокислот снизилось на 0.25% в сравнении с вариантами, где солому не вносили [17].

ВЫВОДЫ

1. Длительная безотвальная основная обработка дерново-подзолистой почвы в сравнении с отвальной способствовала увеличению содержания обменного калия, его подвижности в верхней части пахотного слоя, но снижала содержание подвижного фосфора. В нижней его части (10–20 см) уменьшалось содержание подвижного фосфора, обменного калия, их подвижность.

2. Внесение в почву свежего органического вещества (биомассы горчицы, клевера) способствовало снижению гидролитической кислотности и содержания обменного магния в пахотном слое независимо от системы обработки почвы.

3. Вид органического удобрения оказывал существенное влияние на агрохимические свойства пахотного слоя. Внесение зеленого удобрения в качестве сидерата в сравнении с чистым паром с изменением показателей кислотности в сторону понижения способствовало уменьшению содержания Р₂О₅, К₂О, их подвижности, содержания N-NH₄ и Mg, но увеличению содержания N-NO₃, Ca и Al. Внесение навоза КРС 60 т/га обеспечило наиболее значительное улучшение агрохимических свойств пахотного слоя.

4. На 3-й год после внесения соломы озимой ржи (4 т/га) отмечено существенное ее влияние на агрохимические свойства пахотного слоя почвы. В вариантах с соломой увеличилось содержание аммонийного азота до 2.31–2.72 мг/100 г, снизилось содержание обменного магния до 2.43–2.91 мг-экв/100 г в сравнении с вариантами без соломы (чистый пар и унавоженный чистый пар), где содержание этих элементов соответственно составило 1.84–2.05 мг/100 г и 3.63–3.73 мг-экв/100 г.

5. Использование биоресурсов в любом сочетании в сравнении с контролем без удобрений понизило гидролитическую кислотность с 5.27 до 2.59–4.68 ммоль/100 г, показатель рН_KCl увеличился с 5.08 до 5.31–5.91, S_осн возросла с 9.1 до 10.1–12.6 ммоль/100 г.