Агрохимия, 2021, № 2, стр. 37-46

ВВЕДЕНИЕ

Сахарная свекла – высокопродуктивная культура, широко возделываемая в Российской Федерации. По своим биологическим особенностям она требовательна к реакции почвенной среды, оптимальная реакция почвенного раствора для нее – 7.0 ед. рН, допустимая – 6.0–8.0 ед., более высокие показатели наиболее благоприятны для почв с высоким содержанием илистых частиц, более низкие — для песчаных легких почв [1, 2]. Основные отрицательные последствия повышенной кислотности: снижение доступности основных элементов питания (особенно P₂O₅), кальция и микроэлементов, изменение состава микробного ценоза почвы [2, 3].

В настоящее время отмечено повсеместное подкисление пахотных земель. В Российской Федерации кислые почвы (рН_KCl < 5.5) занимают 34.8 млн га, в лесостепной зоне кислые почвы составляют 49.8% [4–7]. В ЦЧР доля кислых почв равна 48.5% [8]. Масштабное подкисление пахотных почв отмечается и для черноземов [9–11].

Физиологическая кислотность высоких доз минеральных удобрений [2, 12], выпадение кислотных дождей (pH = 3.0–4.0) [13], низкий уровень внесения органических удобрений (в 2019 г. в РФ навозом удобряли только 9.4% пашни, под сахарную свеклу вносили 2.2 т/га) [14], ризодепозиты сахарной свеклы (корневые экссудаты, слизи, ферменты, а также корневой опад) изменяют кислотность почв [15, 16].

Высокие урожаи сахарной свеклы обеспечиваются внесением значительных доз удобрений, т.к. культура требовательна к уровню обеспеченности элементами питания. Научно рекомендованными дозами в ЦЧР являются N90–150P120–150K90–150 [17], уровень применения минеральных удобрений на сахарной свекле в РФ достаточно высок (в отличие от большинства сельскохозяйственных культур). Например, в 2018 г. применяли 305 кг д.в./га посевов сахарной свеклы [18], из них 43.6% составляли азотные удобрения [19]. В условиях стационарных опытов доказано, что длительное применение повышенных доз минеральных удобрений изменяло физико-химические свойства почвы [20–23]. Внесение органических удобрений, известкование, применение научно обоснованных доз удобрений сдерживают нарастание кислотности, а зачастую и оптимизируют ее [5, 20, 24].

Цель работы – изучение изменения кислотных свойств чернозема выщелоченного лесостепной зоны ЦЧР в стационарном опыте, заложенном в 1936 г.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проводили в стационарном опыте по изучению влияния применения удобрений на почвенное плодородие и урожайность культур в севообороте с сахарной свеклой (год закладки – 1936 г., продолжается по настоящее время). Годы проведения исследования – 2009–2017 гг. Почва опытного участка – чернозем выщелоченный малогумусный среднемощный тяжелосуглинистый на тяжелом карбонатном суглинке. Опыт заложен в трехкратной повторности в 9-польном зернопаропропашном севообороте со следующим чередованием культур: черный пар – озимая пшеница – сахарная свекла – ячмень с подсевом клевера – клевер 1-го года использования – озимая пшеница – сахарная свекла – травосмесь горох + овес – овес. Изучали почву и продукцию в следующих вариантах опыта: контроль (без удобрений), N45P45K45 + навоз 25 т/га, N90P90K90 + + навоз 25 т/га, N135P135K135 + навоз 25 т/га, N45P45K45 + навоз 50 т/га, N120P120K120 + навоз 50 т/га, N190P190K190. Удобрения вносили только под сахарную свеклу с осени под зяблевую вспашку, навоз КРС – в черном пару. Минеральные удобрения применяли в основном в виде НАФК. Агротехника возделывания культур была общепринятой для зоны. В почвенных образцах определяли следующие показатели: pH_KCl (ГОСТ 26483-85), содержание гумуса по Тюрину в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26213-91), содержание обменного Ca²⁺ (ГОСТ 26487-85), обменного Mg²⁺ (ГОСТ 26428-85), величину гидролитической кислотности по Каппену (ГОСТ 26212-91), степень насыщенности основаниями – расчетным методом, содержание N-NO₃ (ГОСТ 26951-86), P₂O₅ и K₂O (ГОСТ 26204-91). В посевах сахарной свеклы проводили учет урожайности весовым методом (учетных делянок) с пересчетом по методике ВНИС [25]. Статистическую обработку данных и корреляционный анализ производили по [26].

Установлено, что черноземы выщелоченные во всех изученных вариантах полевого опыта имели благоприятные основные показатели плодородия (содержание гумуса, физические свойства почвы) [27].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Урожайность корнеплодов сахарной свеклы в паровом звене в 9-й ротации севооборота после более чем 80 лет применения удобрений была наиболее высокой в вариантах N135P135K135 + + навоз 25 т/га, N120P120K120 + навоз 50 т/га, N45P45K45 + навоз 50 т/га и N190P190K190 (39.4–40.6 т/га) (табл. 1). Эти системы удобрения повышали урожайность культуры на 49.8–54.4% (на 13.7–14.3 т/га), т.е. обеспечивали более интенсивное выделение в почву ионов H⁺ относительно контроля, где урожайность составила 26.3 т/га. Низкие прибавки были отмечены в вариантах N45P45K45 + навоз 25 т/га и N90P90K90 + навоз 25 т/га (11.6 и 10.7 т/га соответственно), увеличение относительно контроля – на 40.7–44.1%, что возможно, было связано с недостатком доступных форм NPK для такой высокопродуктивной культуры как сахарная свекла.

Оценивая действие удобрений на содержание NPK в почве, следует отметить, что более всего оно проявилось для содержания N-NO₃ (увеличение в удобренных вариантах относительно контроля в слое 0–20 см составило 20.4–98.6%, в слое 20–40 см – 26.8–103%) (табл. 2), несколько меньше – P₂O₅ (22.6–77.3% и 18.1–74.3% соответственно), менее всего – K₂O (11.1–28.6% и 18.9–35.6% соответственно). Наиболее высокое содержание N-NO₃ было отмечено в варианте N190P190K190, при этом внесение минеральных удобрений совместно с навозом 50 т/га не обеспечивало его значительного повышения. Максимальное содержание P₂O₅ обеспечивало применение N135P135K135 + навоз 25 т/га, а системы N90P90K90 + навоз 25 т/га навоза, N120P120K120 + + навоз 50 т/га, N45P45K45 + навоз 50 т/га навоза и N190P190K190 также способствовали значительному росту содержания данного элемента относительно контроля. Наибольшее содержание K₂O отмечено при применении N90P90K90 + навоз 25 т/га и N45P45K45 + навоз 25 т/га, внесение навоза 50 т/га не способствовало повышению содержания элемента относительно минеральной системы (N190P190K190).

Длительно применяемые удобрения повышали градацию обеспеченности N-NO₃ с низкой в контроле до средней и повышенной в вариантах с удобрениями, P₂O₅ и K₂O – с повышенной до высокой (кроме вариантов N45P45K45 + навоз 25 т/га для P₂O₅ и N135P135K135 + навоз 25 т/га, N45P45K45 + навоз 50 т/га и N190P190K190 для K₂O). Повышение содержания NPK обеспечивало увеличение урожайности сахарной свеклы (как и других сельскохозяйственных культур в подобных исследованиях [29]) и, соответственно, способствовало дополнительному выделению ионов H⁺ в почву, проявившегося вследствие обмена на ионы K⁺ [28].

Изученный чернозем характеризовался относительно невысоким содержанием гумуса (в слое 0–20 см – от 4.83 до 5.27%, в слое 20–40 см – 5.00–5.65%, в целинном аналоге – 6.10 и 5.60% соответственно) (табл. 3). Снижение гумусности в контроле относительно целинного участка (расположенного в непосредственной близости от опыта) составило 1.27 абс.% в слое 0–20 см и 0.60 абс.% в слое 20–40 см, в удобренных вариантах – 0.83–1.40 и 0.24–0.77% соответственно, наименьшее снижение в слое 0–20 см было отмечено в вариантах N45P45K45 + навоз 50 т/га и N120P120K120 + навоз 50 т/га вследствие поступления органического вещества повышенных доз навоза (50 т/га). Системы удобрения с навозом 25 и 50 т/га не обеспечивали повышение содержания гумуса относительно N190P190K190 в слое 0–20 см, но в слое 20–40 см было отмечено достоверное увеличение его содержания на 0.52% при внесении N135P135K135 + навоз 25 т/га и на 0.23% – при применении N45P45K45 + навоз 50 т/га. В целом применение удобрений сдерживало уменьшение содержания гумуса как за счет поступления органического вещества с навозом, так и дополнительного объема растительных остатков, образуемого прибавкой урожая культур при внесении минеральных удобрений. Значительное снижение содержания гумуса в верхнем слое почвы было связано с его распадом в аэробных условиях, складывавшихся при постоянной отвальной вспашке и обработке междурядий культуры.

Сопоставление содержания гумуса в почве вариантов с удобрениями и в контроле выявило, что его повышение в слое 0–20 см составило 0.19–0.44%, в слое 20–40 см – 0.13–0.65%: в верхнем слое наиболее значительно влияло внесение N45P45K45 + навоз 50 т/га, N120P120K120 + навоз 50 т/га, N190P190K190, в нижележащем – N45P45K45 + навоз 50 т/га и N135P135K135 + навоз 25 т/га. В относительном выражении это составило 3.93–9.11% в слое 0–20 см и 2.60–13.0% в слое 20–40 см.

Гидролитическая кислотность почвы вариантов с внесением удобрений в слое 0–20 см составила 2.63–3.94 ммоль/100 г почвы в слое 0–20 см и 2.71–3.76 ммоль/100 г почвы в слое 20–40 см (в контроле – 2.98 и 2.71 ммоль/100 г почвы соответственно). Во всех вариантах с удобрениями она возрастала относительно контроля как в верхнем, так и нижнем слое, наибольшее увеличение (на 0.61–0.96 ммоль /100 г почвы) было отмечено при применении N190P190K190 и N120P120K120 + + навоз 50 т/га в слое 0–20 см и на 0.97–1.05 ммоль/100 г почвы при N45P45K45 + навоз 25 т/га и N190P190K190 в слое 20–40 см. Наиболее низкая H_г в слое 0–20 см (2.63 и 2.89 ммоль/100 г почвы) отмечена в вариантах N45P45K45 + навоз 50 т/га и N90P90K90 + навоз 25 т/га, наиболее высокая (3.41–3.94 ммоль/100 г почвы) – в вариантах N190P190K190, N135P135K135 + навоз 25 т/га и N120P120K120 + навоз 50 т/га, что, очевидно, свидетельствовало об определяющем влиянии минеральных удобрений на повышение этого показателя и подтверждено данными дисперсионного анализа. Системы с навозом в дозе 25 т/га уменьшали данный показатель относительно системы только с минеральными удобрениями на 0.53–1.31 ммоль/100 г почвы в слое 0–20 см, на 0.26–0.43 – в слое 20–40 см, а системы с навозом в дозе 50 т/га – на 0.35–1.05 и 0.52–0.87 ммоль/100 г почвы соответственно, возможно, вследствие подщелачивающего действия навоза, что подтверждено данными дисперсионного анализа (НСР₀₅ навоза = 0.05, НСР₀₅ минеральных удобрений = 0.03).

Изучение динамики pH_KCl почвы под сахарной свеклой в начале вегетации выявило, что данный показатель менялся в слое 0–20 см от 5.18 до 5.42, в слое 20–40 см – от 5.22 до 5.40, в почве вариантов с применением удобрений отмечено его снижение на 0.05–0.24 в слое 0–20 см и 0.04–0.18 в слое 20–40 см относительно контроля. Наибольшие показатели pH_KCl были отмечены в слое 0–20 см – в контроле и в варианте N45P45K45 + навоз 50 т/га, в слое 20–40 см – также и при внесении N45P45K45 + навоз 25 т/га, наименьшие – при применении N190P190K190, N120P120K120 + + навоз 50 т/га и N135P135K135 + навоз 25 т/га соответственно. Разница в величине pH_KCl систем c применением навоза 50 т/га и систем с навозом 25 т/га составила 0.04–0.14 в слое 0–20 см и 0.03–0.09 в слое 20–40 см, системы N190P190K190 и вариантов с навозом 25 т/га – 0.13–0.19 и 0.08–0.18 соответственно. Наибольшее различие показателей pH_KCl в слое 0–20 см было отмечено между вариантами с применением навоза 50 т/га и N190P190K190 – 0.05–0.24, что свидетельствовало о наибольшем подкисляющем влиянии дозы N190P190K190 относительно варианта с высокой дозой навоза КРС, имевшего щелочную реакцию. Разница в величинах pH_KCl вариантов с применением навоза 50 т/га и N190P190K190 в слое 20–40 см была несколько меньше и составила 0.09–0.11.

Величина рH_KCl в почве под сахарной свеклой в период активного роста (июль) менялась от 5.00 до 5.32 в слое 0–20 см и от 5.04 до 5.37 в слое 20–40 см, применение минеральных удобрений и навоза вызвало тенденцию к снижению ее относительно контроля на 0.02–0.32 и 0.14–0.34 соответственно. Наибольшие величины pH_KCl были отмечены в обоих слоях при внесении N45P45K45 + навоз 25 т/га и N45P45K45 + навоз 50 т/га, а в слое 0–20 см – также и в контроле. Наиболее низкими величины pH_KCl были при применении N190P190K190 и N135P135K135 + навоз 25 т/га как в слое 0–20, так и 20–40 см, в слое 0–20 см также в варианте N120P120K120 + навоз 50 т/га, в слое 20–40 см – в варианте N90P90K90 + навоз 25 т/га. В этот период отмечена тенденция к увеличению разницы показателей pH_KCl между вариантом N190P190K190 и вариантами применения навоза 50 т/га, что составило 0.21–0.31 ед. в слое 0–20 см и 0.28–0.32 ед. – в слое 20–40 см, относительно вариантов с навозом 25 т/га отмечена также тенденция к снижению показателей рН на 0.23–0.29 и 0.09–0.31 ед. соответственно. В слое 20–40 см при действии N90P90K90 + навоз 25 т/га и N135P135K135 + навоз 25 т/га выявили тенденцию к снижению pH_KCl на 0.16–0.19 ед. относительно варианта N120P120K120 + навоз 50 т/га.

Сезонная динамика показателя pH_KCl показала снижение на 0.02–0.37 ед. в слое 0–20 см и на 0.02–0.24 ед. в слое 20–40 см, что видимо было следствием поглощения сахарной свеклой кальция и других ионов щелочной природы из почвы и удобрений (или проявлением физиологической кислотности удобрений [2, 11]), а также увеличения корневых выделений культуры, имеющих кислую природу [16], и вследствие поглощения культурой K⁺ путем обмена его ионов на ионы Н⁺, что также подкисляло почву [29]. С увеличением доз минеральных удобрений как на навозном, так и безнавозном фонах, выявлено повышение разницы между показателями pH_KCl в мае и июле, в слое 0–20 см оно проявилось в наибольшей степени, что было связано с бóльшим влиянием корневой системы культуры и ее агротехники, заключавшейся в многократных рыхлениях верхнего слоя и создании постоянных аэробных условий.

Содержание обменного Ca²⁺ в почве опытного участка как в слое 0–20 см, так и 20–40 см, имело тенденцию к повышению, но достоверно не изменялось. В вариантах применения N90P90K90 + + навоз 25 т/га, N135P135K135 + навоз 25 т/га, N120P120K120 + навоз 50 т/га в слое 0–20 см и N90P90K90 + навоз 25 т/га, N45P45K45 + навоз 50 т/га в слое 20–40 см обнаружили наибольшее содержание данного элемента.

Влияние длительно вносимых удобрений на увеличение содержания обменного Mg²⁺ (на 0.26–4.80 ммоль/100 г почвы или на 7.00–13.4% относительно контроля) достоверно проявилось в слое 0–20 см в наибольшей степени в вариантах N120P120K120 + навоз 50 т/га, N45P45K45 + навоз 50 т/га, N135P135K135 + навоз 25 т/га, минеральные удобрения в большей степени способствовали изменению данного показателя. В слое 20–40 см не было отмечено достоверных изменений, выявлена только тенденция к увеличению содержания этой формы элемента в вариантах N45P45K45 + навоз 25 т/га и N135P135K135 + навоз 25 т/га.

Было показано достоверное влияние минеральных удобрений на величину содержания суммы Ca²⁺ + Mg²⁺ в почве стационарного опыта: в слое 0–20 см увеличение на 0.5–0.9 ммоль/100 г почвы отмечено в вариантах N135P135K135 + навоз 25 т/га, N120P120K120 + навоз 50 т/га, N45P45K45 + навоз 50 т/га, в других вариантах этот показатель оставался на уровне контроля, не проявляя тенденцию к снижению. В слое 20–40 см также было выявлено увеличение этого показателя на 0.8–1.7 ммоль/100 г почвы, в наибольшей степени в вариантах N45P45K45 + навоз 50 т/га, N45P45K45 + навоз 25 т/га, N90P90K90 + навоз 25 т/га, а система N190P190K190 не способствовала изменению содержания суммы Ca²⁺ + Mg²⁺.

В слое 0–20 см отмечена высокая – 86–90% – степень насыщенности основаниями, что не требовало известкования почвы. В слое 0–20 см было отмечено снижение степени насыщенности основаниями (V) на 2–3%, минеральные удобрения в составе систем N90P90K90 + навоз 25 т/га, N120P120K120 + навоз 50 т/га, а также минеральная система N190P190K190 оказывали влияние на этот показатель. Данный показатель достоверно снизился относительно контроля в слое 20–40 см на 2–4%. При внесении N190P190K190 разница между этими вариантами была максимальной и составила 4%, а минимальной она была между вариантами с применением навоза 50 т/га и контролем (1%). Под влиянием N45P45K45 + навоз 50 т/га отмечена тенденция к повышению V как в слое 0–20, так и в слое 20–40 см почвы.

Сравнение буферности почвы разных вариантов выявило, что при добавлении щелочи разной концентрации наиболее низкий pH почвенной вытяжки отмечен в варианте N190P190K190, что свидетельствовало о дополнительном выделении ионов кислой природы в раствор из почвенного поглощающего комплекса. Наиболее высокий pH в области щелочных величин был отмечен при действии систем удобрения N45P45K45 + навоз 50 т/га и N90P90K90 + навоз 25 т/га, что свидетельствовало о самом малом выделении подобных ионов из почвы этих вариантов. Разница в кислотности почвы разных вариантов в щелочной области составила 0.69–0.88, ее сокращение отмечено при добавлении 4 и 6 мл щелочи (табл. 4).

При добавлении кислоты в почвенную вытяжку разница в величине pH в вариантах опыта составила 0.36–0.71, при приливании большего количества кислоты разница сокращалась, меньшего – расширялась. Наиболее высокий pH был отмечен в основном в варианте N90P90K90 + навоз 25 т/га, и в меньшей степени – в вариантах N45P45K45 + навоз 50 т/га и N135P135K135 + навоз 25 т/га, наиболее низкий – в варианте N190P190K190.

В ходе исследования выявлена сильная связь (r ~ 0.4–0.8) содержания суммы Ca²⁺ + Mg²⁺, а также содержания Ca²⁺ с содержанием гумуса в слое 0–20 см (табл. 5). Зависимость этих показателей была прямая, наиболее тесной она была для суммы Ca²⁺ + Mg²⁺. Зависимость величины pH_KCl во 2-й срок отбора (июль), а также содержания обменного Mg²⁺ с содержанием гумуса была средней степени, прямая – для Mg²⁺ и обратная – для pH_KCl, в первом случае она была более выражена. Эти зависимости проявились только в слое 0–20 см, в слое 20–40 см их не выявили. Такие показатели, как pH_KCl в начале вегетации, емкость катионного обмена и сумма обменных оснований не зависели от содержания гумуса ни в слое 0–20, ни в слое 20–40 см.

В ходе исследования выявлена связь (r ~ 0.4–0.6) содержания основных элементов питания (N-NO₃ – в обоих слоях и K₂O – в слое 0–20 см) с величиной обменной кислотности (табл. 6). Зависимость была отрицательная, с повышением кислотности снижалось содержание NPK, в наибольшей степени – K₂O в слое 0–20 см, в наименьшей – N-NO₃ в том же слое. Обменная кислотность не оказывала влияние на содержание подвижных форм P₂O₅ как в слое 0–20, так и 20–40 см, а K₂O – только в слое 20–40 см.

Отрицательная зависимость содержания NPK и pH_KCl в опыте, при том, что в литературе имеются противоположные данные [2, 4], объясняется изменением кислотности в небольшом интервале, в котором NPK почвы в значительной степени доступны растениям, тогда как с ростом доз удобрений содержание NPK изменялось гораздо более значительно. Установлено, что урожайность корнеплодов сахарной свеклы имела отрицательную зависимость от pH_KCl и положительную – от гидролитической кислотности. Наиболее тесная связь урожайности отмечена с величиной H_г в слое почвы 20–40 см, наименее – H_г в слое 0–20 см (табл. 7). В целом урожайность в средней степени зависела от pH_KCl и H_г, что свидетельствовало о том, что обменная и потенциальная кислотность в незначительной степени определяли уровень урожайности основной культуры севооборота, возможно, вследствие невысоких их величин, не оказывавших негативного влияния на развитие сахарной свеклы.

ВЫВОДЫ

1. Внесение минеральных удобрений совместно с навозом 50 т/га в пару, а также N190P190K190 и N135P135K135 + навоз 25 т/га обеспечивало наиболее высокую урожайность корнеплодов сахарной свеклы и способствовало дополнительному выделению H⁺ в почву корнями растений. Различные формы почвенной кислотности не оказывали значительного влияния на величину урожая культуры.

2. Удобрения в большей степени влияли на содержание NPK в почве, чем на кислотные свойства почвы. Более всего действие удобрений проявилось на содержании N-NO₃ (увеличение в удобренных вариантах относительно контроля в слое 0–20 см составило 20.4–98.6, в слое 20–40 см – 26.8–103%), несколько меньше – P₂O₅ (22.6–77.3% и 18.1–74.3% соответственно), менее всего – K₂O (11.1–28.6% и 18.9–35.6% соответственно).

3. Длительное применение удобрений изменяло физико-химические свойства чернозема выщелоченного относительно варианта без удобрений: повышало гидролитическую кислотность в слое 0–20 см на 0.61–0.96 ммоль/100 г почвы, в слое 20–40 см – на 0.97–1.05 ммоль/100 г почвы, содержание обменного Mg²⁺ в слое 0–20 см – на 0.26–4.80 ммоль/100 г почвы, сумма Ca²⁺ и Mg²⁺ в слоях увеличивалась на 0.5–0.9 и 0.8–1.7 ммоль/100 г почвы соответственно, но снижало степень насыщенности основаниями в слое 0–20 см на 2–3 и в слое 20–40 см – на 2–4%, pH_KCl в начале вегетации – на 0.05–0.24 ед. в слое 0–20 см.

4. Удобрения оказывали наибольшее воздействие на величину pH_KCl в слое 0–20 см в начальный период развития культуры, на этот показатель в большей степени влияло внесение навоза в пару, чем минеральных удобрений под сахарную свеклу. В течение вегетации отмечено снижение величины pH_KCl на 0.10–0.37 ед., как в слое 0–20 (в меньшей степени), так и 20–40 см (в большей степени) вследствие увеличения корневых выделений культуры (при внесении удобрений динамика показателя была более выражена вследствие увеличения обменного поглощения ионов K⁺ и H⁺).

5. Оптимальные показатели физико-химических свойств чернозема выщелоченного обеспечивала применяемая в севообороте более 80 лет система N45P45K45 + навоз 50 т/га.

6. Оценка буферности чернозема выщелоченного позволила установить, что наибольшее содержание оснований, препятствующих подкислению, отмечено в почве варианта N90P90K90 + + навоз 25 т/га, в области сильнокислых величин – также и при действии систем N45P45K45 + навоз 50 т/га и N135P135K135 + навоз 25 т/га.

7. Содержание гумуса в почве удобренных вариантов увеличивалось относительно контроля и проявляло значительную зависимость от содержания обменного кальция, а также суммы Ca²⁺ и Mg²⁺.

8. Не отмечено тесной математической связи величины pH_KCl и содержания NPK в почве вследствие небольшой степени снижения кислотности и значительного повышения содержания элементов питания. Изменения кислотности при внесении удобрений происходили в области слабокислых величин, при которых NPK почвы были наиболее подвижны.