Агрохимия, 2020, № 7, стр. 17-25

ВВЕДЕНИЕ

Солонцы и их комплексы на территории Западной Сибири занимают 6.2 млн га или 40% всех солонцовых почв России. Наибольшие площади их находятся в Омской, Новосибирской обл. и Алтайском крае [1]. Начиная с периода освоения целинных и залежных земель Западной Сибири, к середине 1990-х гг. прошлого века, почвы солонцовых комплексов Барабы были вовлечены в пашню. При внесении минеральных удобрений в те годы на них получали высокие урожаи зерновых и кормовых культур [2, 3]. В Новосибирской обл. на солонцы и их комплексы с другими почвами в 1980–1990 гг. прошлого столетия приходилось 50% от площади сельскохозяйственных угодий, а в отдельных районах они составляли до 80–82% [4]. Отсутствие с 1994 г. государственного финансирования на проведение мероприятий на почвах солонцовых комплексов привели к сокращению площади пашни и росту за счет них так называемых “залежных” земель. В настоящее время целесообразно более эффективно использовать почвы, перешедшие в многолетнюю залежь, и их плодородие, созданное ранее в пашне при длительном внесении минеральных удобрений [5].

Цель работы – изучение изменений свойств почв солонцового комплекса северной лесостепи Барабы при длительном использовании в пашне, а затем перешедших в залежь.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проводили на территории ОАО “Кабинетное” Чулымского р-на Новосибирской обл. (бывший солонцовый стационар СибНИИЗХим СО РАСХН) в периоды 1981–1995 гг. в пашне поля севооборота пар–пшеница–овес–овес, с 1996 г. по 2015 г. – в 10- и 20-летней естественной залежи. В течение 4-х ротаций поле использовали в звене севооборота с систематическим применением минеральных удобрений. Обработку почвы проводили безотвально осенью стойками СибИМЭ на глубину 25–27 см. В качестве азотных удобрений вносили N_aa (34% д.в.) во все поля севооборота, кроме чистого пара, фосфорные – в виде P_сд (42% д.в), калийные – К_х (60% д.в.) и их различные сочетания ежегодно под весеннюю культивацию. Высевали яровую пшеницу (Triticum aestivum L.) сорта Новосибирская 29 и овес (Avena sativa) сорта Золотой дождь. Схема опыта в пашне включала 17 вариантов, более подробные исследования выполнены в 8-ми вариантах, в которых были отобраны почвенные и растительные образцы и учтена урожайность зерновых культур и естественных трав: 1 – контроль, 2 – N30, 3 – N90, 4 – Р40, 5 – Р120, 6 – N30Р40, 7 – N90Р120, 8 – N90Р120К30. Повторность трех–четырехкратная, площадь делянки 170 м² (10 × 17 м). Почвенные образцы отбирали на 1-й и 3-й повторностях опыта по слоям с интервалом 20 см бурением в пашне (1982–1995 гг.) – ежегодно весной до посева и осенью перед уборкой зерновых, в залежи (2005 и 2015 гг.) – в фазе массового цветения трав. Смешанный образец почвы составляли из 3-х проб, отобранных по диагонали делянки через равные расстояния. Зерновые культуры убирали полностью с каждой делянки напрямую малогабаритным комбайном Sampo 130, естественные травы – методом метровок по 2-м диагоналям делянки в четырехкратной повторности в каждом варианте.

Почвенный покров поля севооборота представлен черноземно-луговыми и лугово-черноземными солонцеватыми почвами в комплексе с солонцами черноземно-луговыми корковыми, мелкими, средними и глубокими малонатриевыми, мощность гумусового слоя которых изменялась от 29 до 37 см, а глубина вскипания карбонатов – от 43 до 53 см (рис. 1). Неоднородность почвенного покрова солонцового комплекса сказывалась на варьировании агрохимических показателей: рН$_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$ 7.1–8.0, содержание гумуса – 6–9%, обменного натрия – 2.5–4.0 ммоль-экв/100 г почвы, валовых азота и фосфора – 0.25–0.47 и 0.09–0.18%, N-NO₃ – 14–19, подвижного фосфора по Мачигину (Q) – 21–25 мг/кг, легкодоступного фосфора по Карпинскому–Замятиной (I) – 0.06–0.13 мг/л. Глубина залегания грунтовых вод за период исследования изменялась от 100 до 350 см, воды были слабо минерализованы.

Рис. 1.

Карта-схема опытного поля. Условные обозначения: Сн к. – солонец корковый, Сн м. – солонец мелкий, Сн с. – солонец средний, Сн г. – солонец глубокий, Лч – черноземно-луговая почва, Чл – лугово-черноземная почва.

Содержание гумуса в почве определяли по методу Тюрина (ГОСТ 26213-91), рН – потенциометрическим методом (ГОСТ 26483-85), обменные основания и обменный кальций – трилонометрическим методом (ГОСТ 27821-88) [6], общий азот – по Кьельдалю, фосфор – по Гинзбург (ГОСТ 26261-84), нитратный азот – по Грандваль–Ляжу, легкодоступный фосфор (степень подвижности I) – по Карпинскому–Замятиной [7], подвижный фосфор (фосфатную емкость Q) и обменный калий – по Мачигину (ГОСТ 26206-91) [7]. Статистическую обработку данных выполнили дисперсионным анализом пакета программ “Снедекор” [8].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Солонцы и комплексы почв с солонцами >10% на территории Чулымского р-на Новосибирской обл., где проводили исследование, занимают почти 76 тыс. га или 36% от всей площади солонцеватых и солонцовых земель района, 58% из них вовлечены в сельскохозяйственные угодья [1].

Характер действия минеральных удобрений в пашне зернопарового севооборота и их последействия в залежи на урожайность зерновых культур и естественных трав, а также свойства почв был обусловлен комплексностью почвенного покрова опытного поля (рис. 1) и условиями тепло- и влагообеспеченности вегетационных периодов в годы исследования.

Температура воздуха вегетационного периода (май–сентябрь) за 93% лет исследования была на уровне среднемноголетней или превышала ее. Сумма осадков в этот период за 66% лет близка к среднемноголетней, или превышала ее и за 34% лет была меньше нее. В среднем вегетационный период (май–сентябрь) всех лет исследования на 86% был жарким и теплым и недостаточно увлажненным. Дефицит осадков отмечен за 51% лет [4].

В 1-й ротации севооборота (1981–1984 гг.) прибавка урожайности зерновых от удобрений составила 2.7–11.5 ц/га (26–82% к контролю) (табл. 1). Во 2-й ротации (1985–1988 гг.) она увеличивалась, а действие удобрений имело такую же закономерность, как и в 1-й. Азотные удобрения во всех дозах, в связи с парованием поля в каждой ротации севооборота способствовали накоплению в почвах большого количества нитратного азота, поэтому их эффективное действие проявлялось только в дозе N30. В 3-й ротации урожайность культур была на уровне 1-й ротации, наибольшая прибавка урожая зерновых получена в вариантах P120 и N30 – 73 и 29% к контролю соответственно. В 4-й ротации и в среднем за все 4 ротации севооборота наибольшая продуктивность отмечена в варианте P120 (40 и 51% к контролю соответственно) [5].

Учет урожайности зеленой массы и сена естественных трав залежи, проведенный через 10 лет после залужения опытного поля, показал существенные различия последействия удобрений (1996–2005 гг.) (табл. 1). Урожайность зеленой массы и сена трав в связи с высокой вариабельностью почвенного покрова опытного поля и разным ботаническим составом трав изменялась в вариантах в пределах 24–50 и 10–20 ц/га соответственно. Наибольшая урожайность зеленой массы трав получена в вариантах N90, N30 и Р40 – 49.8, 48.3 и 45.0 ц/га соответственно, где по 50% составляли бобовые и разнотравье. Высокая влажность зеленой массы злаковых трав и бобовых с разнотравьем (47–50 и 60–65% соответственно) сказалась на урожайности сена. Несмотря на отсутствие достоверных различий между вариантами, она на опытном участке в среднем была в 2–4 раза больше, чем на естественных сенокосах в хозяйстве.

Степень покрытия опытного поля травянистой растительностью за 10 лет залужения (1996–2005 гг.) составляла 70–100%. В первой повторности в составе трав преобладали горошек мышиный (Vicia cracca L.), овсяница луговая (Festuca pratensis Huds), тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium L.) и пырей ползучий (Elytrigia repens L.). В 3-й повторности опыта преобладали клевер полевой (Trifolium arvense L.) и горошек мышиный (Vicia cracca L.) с примесью пырея ползучего, тысячелистника обыкновенного, костреца безостого (Asplenium septentrionale), овсяницы луговой, борщевика сибирского (Heracleum sibiricum L.), льнянки обыкновенной (Linaria vulgaris Mill), мятлика (Poa pratensis L.) и щетинника зеленого (Setaria viridis L.). В варианте Р120 и в контроле в составе трав преобладали злаковые разновидности (70%), в вариантах N30Р40 и N90P120K30 появлялись еще и бобовые (50%), в вариантах N30; N90; Р40 и N90P120 – разнотравье (17–25%) (рис. 2).

Рис. 2.

Влияние последействия минеральных удобрений на видовое соотношение естественных трав залежи почв солонцового комплекса, %.

Вынос элементов питания травами залежи зависел от величины их урожайности и видового соотношения (рис. 3). Наибольшее потребление азота травами происходило в вариантах N90 и Р40 со злаковыми, бобовыми и разнотравьем в их составе – 32 и 30 кг/га, что было почти в 2 раза больше контроля с преобладанием в нем злаковых. Вынос фосфора травами был наименьшим из всех элементов питания (3–6 кг/га). Больше всего фосфора, калия и магния травы потребляли в вариантах N30 и N90 с присутствием всех видов трав в составе фитоценоза. Наибольший вынос натрия травами отмечен в вариантах N30P40 и N90. Общее потребление элементов питания травами уменьшалось в ряду: калий – натрий – азот – магний – фосфор в связи с особенностями физико-химических свойств почв солонцового комплекса и видовым составом трав в вариантах опыта [5].

Рис. 3.

Общий вынос элементов питания урожаем естественных трав на почвах солонцового комплекса, кг/га.

Через 20 лет залужения пашни (2015 г.) поверхность поля была полностью покрыта сплошным войлоком мощностью 10–18 см. Из растительности преобладал пырей ползучий (Elytrigia repens L.), небольшими куртинами произрастала клубника (Fragaria viridis Duch), единично встречался тысячелистник (Achillea millefolium L.), ковыль (Stipa capillata L.), молочай (Euphorbia) и осот полевой (Sonchus arvensis L.). В 1-й и 3-й повторностях опыта, расположенных ближе к березово-осиновым колкам, отмечены единичные и группами березы (Betula alba L.) высотой 1.0–1.5 м, реже – 3.0 м и диаметром ствола 7–12 см с общей площадью под ними примерно 10–15%.

Насыщение поля севооборота минеральными удобрениями (1981–1995 гг.), а затем переход его в залежь (1996–2015 гг.) изменяли свойства и пищевой режим почв солонцового комплекса. В пашне за 4 ротации севооборота уменьшалось в 4 и 10 раз содержание солей и водорастворимого натрия соответственно и происходило смещение максимума соды вниз (рис. 4). рН почвенного раствора снижался со щелочного до слабо щелочного и нейтрального (табл. 2). Через 10 лет залужения поля (2005 г.) содержание солей в почве меньше исходного в 2–3 раза, водорастворимого натрия – в 5 раз.

Рис. 4.

Изменение состава водной вытяжки почв солонцового комплекса в слое 0–20 см почвы.

В составе солей по-прежнему отсутствовала сода. В варианте Р120 заметно увеличивалась сумма обменных оснований, из которых 52% составлял обменный кальций. Отношение Ca : Mg возрастало до 1–1.2, рН почвенного раствора находился в интервале слабощелочного–щелочного.

В 20-летней залежи (2015 г.) в катионном составе водной вытяжки почвы увеличилось содержание кальция, магния, калия и уменьшилось – натрия, в анионном составе отсутствовали карбонаты, уменьшилось количество гидрокарбонатов, увеличилось – хлоридов и сульфатов, а сумма солей не изменилась. Количество обменных оснований и кальция также возрастало, а доля магния уменьшилась. На кальций приходилось 67–87% от суммы, а отношение Са : Мg увеличивалось до 2.6 и 3.5, рН почвенного раствора во всех вариантах был слабощелочным.

Установлено, что минеральные удобрения влияют на соотношение процессов минерализации и гумификации в почве и ее потенциальное и эффективное плодородие [9–11]. Преобладание мелких и средних солонцов в первой повторности опытного поля и глубоких солонцов в комплексе с лугово-черноземной почвой на 3-й повторности определяло разную мощность их гумусового слоя (29 и 37 см) и существенные различия в содержании гумуса (табл. 2), что в среднем в поле перед закладкой опыта в слоях 0–20 и 20–40 см составляло 7.39 и 5.24% соответственно. Минеральные удобрения, систематически внесенные в течение 4-х ротаций севооборота, усиливая минерализацию органического вещества, достоверно уменьшали содержание гумуса только в вариантах N90 и N90P120K30. Последующее 10-летнее залужение поля севооборота способствовало незначительному накоплению гумуса в слое 0–20 см в контроле и в вариантах Р120 и N30P40, стабилизации его содержания в варианте N90P120, в почве остальных вариантов оно было меньше исходного уровня (1981 г.).

В 20-летней залежи содержание гумуса в слое 0–20 см достигало исходного уровня (1981 г.) только в вариантах N90P120 и Р120. В слое 20–40 см, за счет поступления органического вещества вторичных корней трав его количество в среднем в поле превышало исходное содержание на 0.6–1.8%.

Установлено, что в черноземах основным источником азотного питания растений является нитратный азот [12–19]. Парование поля севооборота в 1981 г. способствовало его накоплению в пахотном и подпахотном слоях, а обеспеченность им в слое 0–40 см была высокой [20]. Хорошая обеспеченность почвы теплом и влагой в условиях луга, несмотря на систематическое внесение минеральных удобрений в течение 4-х ротаций севооборота, способствовала миграции азота вниз по профилю и не компенсировала его вынос зерновыми культурами из пахотного и подпахотного слоя почвы, обеспеченность азотом была очень низкой и низкой (1995 г.). Через 10 лет залужения поля в слое 0–40 см содержание азота было низким в вариантах Р40 и N90P120К30, средним – в вариантах N90 и N90P120 и высоким – в остальных вариантах. При этом 54–80% азота было сосредоточено в слое 0–20 см. В 20-летней залежи (2015 г.) содержание азота в слое почвы 0–40 см во всех вариантах опыта было низким, а 55–62% его находилось в слое 20–40 см.

Доступность для растений почвенных и новообразованных из удобрений фосфатов можно оценить по их интенсивности (степени подвижности – I), количеству (емкости, Q) и буферности (ВС^Р) [21–25]. Степень подвижности фосфатов (I) в паровом поле севооборота (1981 г.) была низкой, а фосфатная емкость (Q) – средней (табл. 2). Внесение фосфорных удобрений (Р40 и Р120) и их совместное применение с азотными (N30P40, N90P120) в течение 4-х ротаций севооборота увеличивало содержание легкодоступного фосфора (I) до повышенного и высокого, в остальных вариантах оно оставалось низким. При этом содержание подвижного фосфора (Q) во всех вариантах, кроме контроля, N30 и N90, возрастало от среднего до повышенного, высокого и очень высокого.

С одной стороны, отношение содержания легкодоступного фосфора (по Карпинскому–Замятиной), или I, мг/л, к подвижному (по Чирикову, или Q, мг/100 г), умноженное на 100, отражает долю легкодоступных фосфатов почвы, или показатель ее окультуренности (ПО) [20]. Чем он больше, тем лучше почва обеспечена легкодоступным фосфором. Длительное использование почвы в пашне с минеральными удобрениями повышало показатель ее окультуренности в 3–6 раз, наибольшим он был в вариантах Р40 и Р120. С другой стороны, соотношение между количеством фосфора (Q) и его интенсивностью (I) характеризует фосфатную буферную способность почвы (ВС^Р), которая показывает, какое количество подвижных фосфатов должно перейти из их общего запаса в почвенный раствор или должно быть внесено в почву для изменения концентрации фосфора в почвенном растворе на единицу [23]. Использование почвы в пашне севооборота на фоне систематического применения Р120 и Р40 уменьшало ВС^Р с 120 в чистом пару (1981 г.) до 25 и 20 соответственно после 4-х ротаций севооборота, свидетельствуя об уменьшении закрепления фосфора в почве в менее доступных для растений фракциях [24]. Залужение пашни в течение 10 лет из-за небольшого выноса фосфора травами увеличивало содержание легкодоступного и подвижного фосфора в контроле, вариантах N90 и N90P120К30 и создавало повышенную и высокую обеспеченность им растений. Наибольший ПО и наименьшая ВС^Р отмечены в вариантах N90 и N90P120К30, свидетельствуя о дальнейшем уменьшении закрепления фосфора почвой. В 20-летней залежи (2015 г.) содержание легкодоступного фосфора в почве всех вариантов опыта было высоким, а подвижного фосфора варьировало от среднего до высокого. Наибольший ПО и наименьшая ВС^Р отмечены в вариантах N90P120К30, Р120 и Р40 (табл. 2).

Исходное содержание обменного калия в чистом пару поля севооборота было повышенным (табл. 2). После 4-х ротаций севооборота только N90P120К30-удобрения компенсировали его вынос зерновыми культурами и поддерживали повышенное содержание в почве. В остальных вариантах оно уменьшалось до среднего. В 10-летней залежи, в условиях возврата элементов питания травами в почву происходило накопление обменного калия в слое 0–20 см и создавало повышенную обеспеченность им растений. Через 20 лет залужения пашни содержание обменного калия в вариантах опыта варьировало от среднего до высокого.

ВЫВОДЫ

1. Наибольшая урожайность зерновых культур в пашне за 4 ротации севооборота получена в варианте P120 – 26.9 ц/га.

2. В пашне зернопарового севооборота усиливалась миграция водорастворимого натрия, солей и соды вниз по профилю почвы, уменьшая величину рН и увеличивая содержание суммы обменных оснований и кальция.

3. Минеральные удобрения во всех вариантах севооборота, кроме N90 и N90P120K30, поддерживали содержание гумуса в пахотном слое почвы; увеличивали содержание нитратного азота; поддерживали и повышали степень подвижности фосфора и фосфатную емкость почв, улучшая фосфатный режим, повышая ПО и уменьшая ВС^Р почв; определяли высокую обеспеченность растений обменным калием.

4. Урожайность зеленой массы и сена естественных трав на залежи варьировала. Наибольшей она была в варианте N90.

5. В видовом составе трав залежи в вариантах контроль и Р120 преобладали злаковые виды; в вариантах N30Р40 и N90P120K30 доли злаковых и бобовых трав были равны. Азотные (N30 и N90), фосфорные (Р40) и азотно-фосфорные удобрения (N90P120) способствовали появлению в составе трав разнотравья.

7. Вынос элементов питания травами залежи в вариантах опыта зависел от их урожайности и видового соотношения и уменьшался в ряду: калий – натрий – азот – магний – фосфор.

8. Залужение пашни зернопарового севооборота не приводило к накоплению солей и обменного натрия в почве. В составе солей отсутствовала сода, а величина рН соответствовала нейтральной и слабощелочной.

9. В 10-летней залежи происходило заметное накопление гумуса в слое 0–20 см в контроле и в вариантах Р120; N30P40 и стабилизации его содержания в варианте N90P120. Через 20 лет залужения поля севооборота содержание гумуса в слое 0–20 см достигло исходного уровня (1981 г.) только в вариантах N90P120 и Р120.

10. Содержание нитратного азота в слое 0–40 см 10-летней залежи варьировало от низкого в вариантах Р40 и N90P120К30, до среднего в вариантах N90 и N90P120 и высокого – в остальных вариантах. Количество легкодоступного и подвижного фосфора увеличивалось в контроле и в вариантах N30, N90 и N90P120К30. Наибольший показатель окультуренности (ПО) и наименьшая буферность (ВС^Р) почвы были отмечены в вариантах N90 и N90P120К30. В условиях возврата калия травами его содержание в слое почвы 0–20 см было повышенным.

11. В почве 20-летней залежи (2015 г.) содержание нитратного азота было низким, легкодоступного фосфора – высоким, содержание подвижного фосфора варьировало от среднего до высокого. Наибольший ПО и наименьшая ВС^Р почвы в вариантах N90P120К30, Р120 и Р40. Содержание обменного калия в вариантах опыта варьировало от среднего до высокого.

12. Залежь почв солонцового комплекса, использованная ранее в систематически удобряемой пашне зернопарового севооборота, обладает высоким эффективным и потенциальным плодородием и может быть вновь вовлечена в пашню.