Агрохимия, 2020, № 7, стр. 3-10

ВВЕДЕНИЕ

Уникальные почвенно-климатические условия влажных субтропиков России определили возможность промышленного возделывания чая (Camellia sinensis (L.) Kuntze) в нашей стране. Начиная с 50-х годов ХХ века чаеводство являлось и до сих пор остается важной отраслью региона. Почвы чайных плантаций, как многолетней монокультуры, сохраняющей высокую продуктивность до 50 лет и жизнеспособность до 100 лет (и более) при правильном агротехническом уходе, требуют особенно внимательного и грамотного подхода к управлению их плодородием. Высокая потребность в элементах питания, связанная с формированием и отчуждением большого объема биомассы в течение всего периода вегетации, на фоне исходно невысокого уровня плодородия субтропических почв определяет необходимость и эффективность применения минеральных удобрений при возделывании чая. В связи с этим на различных этапах развития отрасли чаеводства большое внимание уделяли разработке и постоянному совершенствованию зональной системы удобрения [1–3], почвенно-растительной диагностике минерального питания чая [4, 5], развитию подходов и принципов оптимизации применения удобрений [6–8]. Результаты научно-исследовательской работы с успехом реализовывали в производственных условиях.

Особую ценность представляют исследования на базе длительного полевого многофакторного опыта с удобрениями на культуре чая (включенного в состав Всероссийской Географической сети опытов), которые проводит коллектив ученых и специалистов ВНИИЦиСК, начиная с 80-х годов ХХ века. Они позволили охватить многолетний цикл выращивания культуры чая от момента закладки плантации и изучить длительную динамику урожайности чайных плантаций и комплекса свойств почв при самых различных схемах применения удобрений в условиях зоны. Результатом исследований явилась целая серия диссертационных работ, научно-методических и практических разработок, посвященных оптимизации плодородия почв и применения минеральных удобрений при выращивании чая [3, 5, 9], оценке состояния почв и их агрогенной трансформации при длительном применении различных доз NPK [10–13], поведению микроэлементов в системе почва–чайное растение [14], экологической безопасности агротехнологий по показателям биологической активности почв и структурно-функционального состояния микробных комплексов [15, 16].

К сожалению, в течение уже более 20-ти лет в чаеводческих хозяйствах региона все чаще встречается нерегулярное, недостаточное применение удобрений в малых дозах, их длительное полное отсутствие или внесение только азотных удобрений, и даже полный отказ от применения минеральных удобрений. Это не может не вызывать опасения с точки зрения угрозы деградации агросистем чайных плантаций (уменьшения плодородия почв, урожайности и адаптивности растений).

В связи с этим цель работы – изучение и демонстрация многолетней динамики плодородия почв чайных плантаций при длительном полном отсутствии минеральных удобрений или какого-либо вида удобрений (азотных, фосфорных, калийных) на основе анализа мониторинговых исследований в рамках полевого многофакторного опыта с удобрениями.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Опыт был заложен в 1986 г. на молодой плантации чая районированного интенсивного сорта Колхида (1983 г. посадки) в наиболее высоко бонитетной (согласно [17]) по почвенно-климатическим условиям подзоне чаеводства Черноморского побережья Краснодарского края (г. Сочи, п. Уч-Дере, ЗАО “Дагомысчай”). Почва опытного участка – бурая лесная кислая легкоглинистая на элюво-делювии аргиллитов (согласно [18]) – одна из лучших чаепригодных почв влажно-субтропической зоны России, на которой заложено более половины чайных плантаций.

Перед посадкой плантации было проведено окультуривание почв участка (плантажная вспашка на глубину до 40–50 см и внесение высоких доз NPK) в результате чего обеспеченность почвы основными питательными элементами в плантажированном горизонте (0–40 см) достигла среднего и высокого уровней: легкогидролизуемый азот – 90–110 мг/кг, подвижный фосфор и калий – 320–380 и 225–280 мг/кг соответственно. Содержание гумуса составляло 2.5–3.2%.

В методическом плане опыт проводили по схеме, разработанной ВИУА им. Д.Н. Прянишникова для Географической сети опытов с удобрениями и другими агрохимическими средствами. Схема опыта – 1/4 (4 × 4 × 4), содержит 16 вариантов различных сочетаний доз NPK (в градациях 0, 1, 2, 3 единичные дозы): 000, 022, 002, 020, 111, 133, 113, 131, 200, 220, 202, 222, 331, 313, 311, 333. Повторность двукратная, размер опытных делянок 50 м². Единичные дозы азотных удобрений росли по мере развития плантаций с шагом 70–90–120–200 кг д.в./га в 1986–1989–1993–2000 гг.; для фосфорных и калийных удобрений не изменялись – 60 и 50 кг д.в./га соответственно. Удобрения вносили ежегодно, согласно зональной технологии возделывания чая [2]: 60% азотных и 100% фосфорных и калийных удобрений в марте–апреле, 40% азотных – в июне в виде подкормки. Формы удобрений: N_a, N_aa, P_сд, K_х, а также сложные удобрения – НАФК, АФ (с 2006 г.).

Для решения поставленной задачи в пределах многофакторного опыта были выбраны модельные плантации (варианты), которые характеризуют тип агроценозов с экстенсивной системой возделывания без минеральных удобрений (вариант 000 – контроль) или без азотных удобрений (варианты группы N0: 020, 002), а также агроценозов с интенсивным азотным питанием в отсутствии фосфорных и (или) калийных удобрений (варианты 200, 202, 220).

Динамику изменения показателей плодородия почв в вариантах опыта отслеживали в течение 27 лет (1986–2012 гг.) по результатам ежегодных мониторинговых исследований основного корнеобитаемого слоя почв (по слоям 0–20 и 20–40 см) в ранневесенний период. Изменения оценивали в сравнении с исходными показателями перед закладкой опыта и контролем (вариант 000 без удобрений).

Лабораторные исследования вели по общепринятым методикам [19]. Легкогидролизуемый азот определяли по Тюрину и Кононовой, гумус – по Тюрину в модификации Орлова и Гриндель, подвижный фосфор – по Ониани с колориметрическим окончанием на спектрофотометрах КФК-3 или УСФ-01 в разные годы; кислоторастворимый калий – по Пчёлкину, обменный – по Масловой, подвижный – по Ониани, легкодоступный – в 0.005 н. СаСl₂-вытяжке на пламенном фотометре ПФМ У4.2 и атомно-абсорбционном спектрометре КВАНТ АФА-А в разные годы.

Обработка данных проведена методами описательной статистики в программе Microsoft Excel (при Р = 0.95). В диаграммах представлены средние + стандартное отклонение. Для обозначения вариантов использованы коды по количеству единичных доз NРK; в случае представления усредненных показателей по группам вариантов использованы следующие коды (их сочетания): варианты без азотных удобрений – N0, без фосфорных – Р0, без калийных – K0, с двойными дозами азота – N2.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Длительное отсутствие азотных удобрений. Азот, как элемент-регулятор активности внутренних стимуляторов роста растений, играет особую роль для листосборной культуры чая. Без применения азотных удобрений, являющихся источником легкодоступных минеральных форм азота, урожайность модельных чайных плантаций в опыте по средним многолетним данным (20–28 ц/га) была в 2.0–3.5 раза меньше, чем регулярно удобряемых азотом (табл. 1). В контрольном варианте (000 – без удобрений) она варьировала в зависимости от возраста и метеорологических условий года от 4.0 до 30 ц/га, при средней вариабельности 58%; при применении фосфорных или калийных удобрений (варианты 002, 020) она была несколько больше, достигая при благоприятных погодных условиях >40 ц/га в наиболее продуктивном возрасте (10–18 лет) (рис. 1). При этом урожайность чая сорта Колхида (интенсивного сорта) при оптимальном минеральном питании и благоприятных погодных условиях в отдельные годы достигала в опыте 100–120 ц/га.

Рис. 1.

Урожайность модельных чайных плантаций с экстенсивным типом возделывания (без азотных удобрений) в многолетней динамике.

Отсутствие компенсации выноса азота урожаем определило его отрицательный хозяйственный баланс в модельных агроэкосистемах с экстенсивным типом землепользования без азотных удобрений. В почве контрольного варианта (000 – без удобрений) и вариантов без внесения азотных удобрений (группа N0) уже в первые годы проведения эксперимента было отмечено довольно быстрое снижение содержания легкогидролизуемого азота, которое в дальнейшем находилось на уровне в 1.5–2.0 раза меньше исходного (рис. 2) и оценивалось как низкое, согласно разработанным градациям [5].

Рис. 2.

Динамика обеспеченности почв чайных плантаций легкогидролизуемым азотом в отсутствии азотных удобрений.

Следует отметить, что снижение содержания легкогидролизуемого азота на этапе развития молодой чайной плантации отмечено и в вариантах с внесением азотных удобрений. Оно было выражено, хотя и в меньшей степени, даже в вариантах с тройными дозами азота, которые лишь частично компенсировали высокую потребность чайных растений в азоте на этапе наращивания ими биомассы (в том числе формирования скелетных частей шпалеры). Однако в дальнейшем обеспеченность почв азотом в удобренных вариантах постепенно достигла высокого уровня [20].

Несмотря на невысокую продуктивность плантаций в отсутствии азотных удобрений, в результате ежегодной подрезки чайных шпалер и естественного опада происходило регулярное поступление определенного объема растительной биомассы, которую оставляли в междурядьях. Это, а также снижение минерализационных потерь в отсутствие механической обработки почвы в течение многих лет (этот агротехнический прием на полновозрастных плантациях не применяют), привело к некоторому накоплению гумуса. За 27-летний период рост общего содержания гумуса в контрольном варианте (000) и вариантах группы N0 (без азотных удобрений) составил в среднем ≈1.0 и 0.5% (в слоях 0–20 и 20–40 см соответственно) по сравнению с исходным (рис. 3). В пересчете это соответствовало росту запаса гумуса на 13–19 т/га в основном корнеобитаемом слое (0–40 см).

Рис. 3.

Динамика содержания гумуса в почве при длительном экстенсивном ведении культуры чая.

В то же время на высокопродуктивных плантациях с применением азотных удобрений был установлен рост содержания гумуса более чем на 2%, который, однако сопровождался существенной трансформацией всего гумусового комплекса [21, 22].

Длительное отсутствие фосфорных удобрений. В отсутствии фосфорных удобрений в почве контрольного варианта (000 – без удобрений) прослежено постепенное снижение уровня обеспеченности почв фосфором. В итоге повышенное содержание подвижных фосфатов в плантажированном горизонте почвы (0–40 см), достигнутое перед закладкой опыта в результате окультуривания, сократилось за 27-летний период исследования в 1.5 раза (рис. 4). Обеднение верхнего слоя 0–20 см почвы происходило со средней скоростью 65–70 мг Р₂О₅/кг за 10 лет [23]. Разница между исходным (380 мг/кг) и конечным (210 мг/кг) содержанием подвижного фосфора составила 170 мг/кг при отрицательном балансе фосфора за это период –140 кг/га. Следовательно, величина выноса, снижающего содержание Р₂О₅ на 10 мг/кг, составила ≈8 кг/га.

Рис. 4.

Динамика содержания подвижных фосфатов в почве при длительном возделывании чая без фосфорных удобрений.

При длительном интенсивном азотном (азотно-калийном) питании, но без внесения фосфорных удобрений, в агроценозах высокопродуктивных чайных плантаций вынос фосфора урожаем (табл. 1, варианты 200 и 202), был больше в 3–4 раза в сравнении с низкопродуктивным неудобряемым контрольным вариантом (000). Однако в основном корнеобитаемом слое 0–40 см почвы в среднем поддерживался исходный уровень содержания подвижных фосфатов (рис. 4, для группы вариантов N2Р0) за счет его биогенной аккумуляции и других почвенных трансформационных изменений при минерализации биомассы шпалерной обрезки. Вопросы эффективности применения фосфорных удобрений при выращивании чая в условиях Черноморского побережья России, формирования фосфатного режима почв при эксплуатации с различной нагрузкой удобрениями рассмотрены в отдельных публикациях [9, 23, 24].

Длительное отсутствие калийных удобрений. В отсутствии калийных удобрений в вариантах с экстенсивным типом эксплуатации плантаций (000 – контроль, 020) в течение всего 27-летнего периода наблюдений поддерживался довольно стабильный уровень обеспеченности почв подвижным калием. Его содержание менялось в диапазоне 280–350 и 240–300 мг/кг в слоях 0–20 и 20–40 см соответственно без выраженных тенденций к изменениям (рис. 5, N0K0). При невысокой урожайности плантаций и небольшом дефиците баланса калия в таких модельных агросистемах (табл. 1) некомпенсируемое расходование почвенного калия камуфлировалось за счет подвижного динамического равновесия между различными его формами. Однако при сравнении калийного статуса почвы по комплексу форм на промежуточном (2003 г.) и заключительном (2012 г.) этапах опыта была выявлена тенденция к истощению запасов почвенного калия по снижению количества кислоторастворимых и необменных форм на 10–20% (рис. 6, на примере варианта 000).

Рис. 5.

Динамика содержания подвижного калия в почве при длительном возделывании чая без калийных удобрений.

Рис. 6.

Изменение калийного статуса почв чайных плантаций при их длительной эксплуатации без калийных удобрений (по комплексу форм калия в слое 0–20 см почвы).

При возделывании чая без калийных удобрений, но с применением высоких доз азотных или азотно-фосфорных удобрений высокая урожайность и соответственно повышенный вынос питательных элементов увеличили размеры выноса калия в 3.0–3.5 раза по сравнению с контролем (табл. 1, варианты 200 и 220). При этом следует отметить, что содержание обменного, подвижного и легкодоступного калия в почве длительное время поддерживалось на относительно постоянном уровне за счет расходования необменного калия, что затрудняло диагностику дефицита элемента [25]. Например, диапазон содержания подвижного калия в почве этой группы вариантов (N2K0) в период исследования в целом был сопоставим с контролем (N0K0), тенденция к снижению относительно него проявилась лишь на заключительных этапах опыта (рис. 5). Явное истощение калийного запаса было выявлено в результате комплексного анализа калийного статуса исследованных почв в конце эксперимента (в 2012 г.). Было установлено существенное снижение содержания всех форм почвенного калия как по сравнению с контролем, так и по сравнению с их содержанием 10-ю годами ранее: потенциально доступного кислоторастворимого, необменного – на 25%, обменного, подвижного и легкодоступного – почти на 50% в слое 0–20 см (рис. 6, варианты 200 и 220).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в условиях длительного (27 лет) многофакторного полевого опыта с удобрениями был смоделирован тип землепользования с полным отсутствием минеральных удобрений или отсутствием какого-либо вида удобрений (азотных, фосфорных, калийных) при возделывании многолетней монокультуры чая во влажных субтропиках России.

В результате мониторинга основных показателей плодородия почв (в слое 0–40 см – плантажированном, основном корнеобитаемом) и урожайности модельных мини-плантаций для соответствующей выборки вариантов опыта было установлено следующее:

1 – длительное полное отсутствие минеральных удобрений, как и отсутствие азотных удобрений, определило низкую урожайность плантаций (средняя многолетняя урожайность в опыте – 19.6–28.2 ц/га), отрицательный баланс азота в агроценозе и низкий уровень содержания легкогидролизуемого азота (в 1.5–2.0 раза меньше исходного). Содержание гумуса стабилизировалось на исходном уровне с некоторой тенденцией к накоплению (рост на 0.5–1.0%). Обеспеченность подвижным калием в отсутствии удобрений поддерживалась на относительно постоянном уровне за счет динамического равновесия между различными формами калия, однако было выявлено истощение резервов кислоторастворимого необменного калия (на 10–20% за последние 10 лет эксперимента). Происходило расходование фосфатного фонда почв, созданного при окультуривании, о чем свидетельствовало снижение содержания подвижных фосфатов в 1.5 раза относительно исходного;

2 – при применении азотных удобрений, обеспечивших высокую урожайность модельных чайных плантаций (52–67 ц/га – средняя многолетняя урожайность в опыте), длительная эксплуатация почв без калийных удобрений привела к истощению калийного запаса. В конце эксперимента оно проявилось в снижении содержания потенциально доступного кислоторастворимого, необменного калия на 25%, а обменного, подвижного и легкодоступного калия – почти на 50% в слое 0–20 см, как по сравнению с контролем, так и по сравнению с содержанием тех же форм элемента 10-ю годами ранее. Содержание подвижных фосфатов, несмотря на длительное отсутствие фосфорных удобрений, поддерживалось на исходном уровне за счет биогенной аккумуляции.

Полученные результаты описывают модель прогноза изменения (по ряду показателей – деградации) плодородия почв при аналогичных производственных условиях возделывания чая в России.