Агрохимия, 2021, № 3, стр. 3-14

ВВЕДЕНИЕ

Сохранение и воспроизводство плодородия пахотных почв является важнейшей частью стратегии сбалансированного развития агропромышленного комплекса и обеспечения продовольственной безопасности России. Одними из самых плодородных почв на нашей планете считаются российские черноземы [1–3]. Среди развитых аграрных регионов Российской Федерации важное место занимает Центрально-Черноземный район (ЦЧР), включающий помимо расположенной на юго-западе Белгородской обл., еще Воронежскую, Курскую, Липецкую и Тамбовскую обл.

За период 2015–2019 гг. посевная площадь в ЦЧР в среднем составляла 8.69 млн га (10.9% пашни РФ). Области, входящие в ЦЧР, довольно сильно отличаются уровнем развития сельскохозяйственного производства. Например, самая высокая урожайность зерновых и зернобобовых культур была установлена в Белгородской обл. (4.60 т/га), самая низкая – в Тамбовской (3.41 т/га), в РФ средняя урожайность составляла 2.62 т/га. Минеральные удобрения в наибольших дозах (144.1 кг/га) использовали в Курской обл., в наименьших (94.9 кг/га) – в Тамбовской, при этом в среднем в России уровень их внесения составляет всего 52.7 кг/га. Больше всего органических удобрений вносили в Белгородской обл. (8.5 т/га), меньше всего – в Тамбовской (0.25 т/га), что даже меньше, чем в среднем в России (1.47 т/га) [4].

Однако за 300-летний период интенсивного использования природного плодородия черноземов ЦЧР без учета научно обоснованных приемов его воспроизводства существенно усилилась их антропогенная деградация [3]. Главными видами деградации пахотных почв являются прогрессирующее развитие водной эрозии, снижение содержания органического вещества и подвижных форм некоторых макро- и микроэлементов. В лесостепной зоне ЦЧР отмечено существенное увеличение доли кислых почв, что особенно негативно отражается на урожайности сахарной свеклы – культуры, доля которой в валовом производстве России составляет ≈50% [5–9].

Проектирование и внедрение комплекса мероприятий, направленных на оптимизацию минерального питания сельскохозяйственных растений, сохранение и расширенное воспроизводство плодородия почв, является важнейшей частью адаптивно-ландшафтных систем земледелия. Их разработка должна базироваться на актуальных материалах агрохимического мониторинга, который начали проводить в РФ с 1964 г. Цель работы – обобщить и проанализировать закономерности изменения основных параметров плодородия пахотных почв юго-западной части ЦЧР в процессе длительного (1964–2018 гг.) сельскохозяйственного использования.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проводили в Белгородской обл., которая расположена в пределах юго-западного склона Среднерусской возвышенности, являющейся частью Восточно-Европейской равнины. В западной части области расположена Украинская лесостепная почвенная провинция, а в центральной и частично восточной частях – Среднерусская лесостепная провинция. В этих провинциях преобладают черноземы типичные и выщелоченные. Юго-восточная часть области входит в состав Среднерусской провинции степных черноземов, и в ней преобладают черноземы обыкновенные.

В муниципальных образованиях (МО) области доля эродированных пахотных почв изменяется в пределах от 22.8 (Грайворонский городской округ) до 66.0% (Валуйский городской округ) и в среднем составляет 47.9% [8]. Среднемноголетний показатель гидротермического коэффициента (ГТК) меняется в пределах от 0.9 на юго-востоке до 1.2 на западе области. В среднем за 2015–2018 гг. посевная площадь составила 1428.5 тыс. га.

В работе использованы материалы сплошного агрохимического обследования пахотных почв, проведенного в 1964–2018 гг. Площадь элементарного участка составляла 20 га, образцы почвы отбирали с глубины 0–25 см. Изучение свойств целинных аналогов пахотных почв проводили в рамках фонового мониторинга в заповеднике “Белогорье” на участке “Ямская степь”, расположенном на территории Губкинского городского округа и природном парке “Ровеньский”, расположенном в МО Ровеньский р-н.

В почвенных образцах определяли содержание органического вещества по методу Тюрина (ГОСТ 26213–91), подвижных соединений фосфора и калия – по методу Чирикова в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26204–91), подвижных форм серы, извлекаемых раствором хлористого калия (ГОСТ 26490–85), подвижных форм микроэлементов, извлекаемых ацетатно-аммонийным буферным (ААБ) раствором рН 4.8. Гидролитическую кислотность (Н_г) определяли в соответствии с ГОСТ 26212-91, рН_KCl – в соответствии с ГОСТ 26483-85.

В работе использованы опубликованные данные Росстата о валовых сборах, урожайности и площади посевов сельскохозяйственных культур, площади произвесткованной пашни, а также дозах внесения органических и минеральных удобрений [4]. Продуктивность почв определяли путем пересчета валовых сборов главных сельскохозяйственных культур в сбор кормовых единиц (к.е.) с последующим суммированием полученных величин и делением на общую посевную площадь под культурами.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Содержание органического вещества во многом определяет обеспеченность растений элементами питания, особенно при низком уровне использования удобрений, оказывает существенное влияние на физико-химические и водно-физические свойства почвы [10]. В пахотных почвах Курской, Липецкой, Воронежской, Тамбовской обл. средневзвешенное содержание органического вещества составляет соответственно 4.63, 5.52, 5.57, 6.60% [6, 11, 12].

По данным фонового мониторинга (“Ямская степь”), установлено, что целинный чернозем типичный содержит 10.1, выщелоченный – 9.7% органического вещества в слое 10–20 см. На протяжении 1985–2014 гг. средневзвешенное содержание органического вещества в почвах пашни варьировало в интервале от 4.8 до 5.0%, а в 2015–2018 гг. величина данного показателя увеличилась до 5.2%. При этом доля почв с повышенным содержанием органического вещества возросла до исторического максимума (15.9%), а с низким содержанием – уменьшилась до 13.1%. Преобладают в области пахотные почвы со средним (4.1–6.0%) содержанием органического вещества, их доля составляет 70.6% (табл. 1).

Установленный тренд к увеличению обеспеченности почв органическим веществом обусловлен несколькими причинами. Во-первых, благодаря интенсивному развитию свиноводства и птицеводства в 2015–2018 гг. уровень внесения органических удобрений достиг исторического максимума (8.1 т/га посевной площади), что почти в 1.7 раза больше, чем в 2010–2014 гг. (рис. 1). По обобщенным данным научных учреждений Центрального Черноземья, для достижения бездефицитного баланса органического вещества в интенсивных зернопропашных севооборотах в зависимости от наличия чистого пара, соотношения пропашных, зерновых и зернобобовых культур, требуется вносить от 6 до 8 т навоза КРС/га севооборотной площади [1, 2].

Рис. 1.

Динамика внесения органических удобрений, т/га.

Во-вторых, реализуя областную программу биологизации земледелия, сельхозпроизводители стали уделять большое внимание пожнивным посевам сидератов [13]. В 2015–2018 гг. сидеральные культуры (в основном крестоцветные) в среднем за год высевали на площади 277.5 тыс. га, что составляет 19.4% от общей посевной площади, это в 2.8 раза больше, чем в 2010–2014 гг.

В-третьих, за этот же период доля посевной площади под многолетними бобовыми травами увеличилась с 5.9 до 6.7%. В почвозащитных севооборотах с долей многолетних трав 40% и более, расположенных в основном на эродированных почвах, положительный баланс органического вещества почвы может формироваться без использования органических удобрений за счет гумификации растительных остатков и сокращения эрозионных потерь [2].

В-четвертых, важным источником органического вещества почвы являются пожнивно-корневые остатки и побочная продукция сельскохозяйственных культур. Их масса напрямую коррелирует с урожайностью основной продукции, которая в последние годы существенно увеличилась [10].

По данным 10-го цикла агрохимического обследования, самое низкое средневзвешенное содержание органического вещества отмечено в пахотных почвах Грайворонского городского округа (3.98%) и Борисовского р-на (4.30%), которые находятся на территории Украинской лесостепной почвенной провинции (табл. 2). В этой провинции преобладают черноземы мощные и среднемощные, малогумусные [8]. Наиболее высокое средневзвешенное содержание органического вещества отмечено в пахотном слое почв Губкинского городского округа (5.96%) и Прохоровского р-на (5.84%), которые находятся на территории Среднерусской лесостепной провинции. Черноземы этой провинции, в отличие от черноземов Украинской лесостепной провинции, относятся преимущественно к среднемощным и среднегумусным. Эти различия обусловлены особенностями почвообразовательного процесса.

Важной причиной дегумификации черноземов является водная эрозия почв, которая наиболее сильно развивается на склонах южной экспозиции крутизной >3 градусов. Черноземы типичные слабосмытые Украинской лесостепной провинции, в зависимости от экспозиции склонов, имеют среднее содержание органического вещества на 0.37–0.73%, среднесмытые – на 1.18–1.46% меньше, чем несмытые почвы водоразделов. В черноземах обыкновенных слабосмытых Среднерусской провинции степных черноземов среднее содержание органического вещества на 0.47–0.85%, среднесмытых – на 1.15–1.70% меньше, чем в несмытых почвах.

Кислотность является важнейшим показателем почвенного плодородия, который сильно влияет на подвижность макро- и микроэлементов в почвах, эффективность удобрений, количество и качество урожая сельскохозяйственных культур. Величина данного параметра зависит от особенностей климата и почвообразовательного процесса, степени развития эрозионных процессов, влияния антропогенных факторов [1–3].

В пределах Центрального Черноземья наиболее низкая доля кислых почв выявлена в Воронежской обл. (28.2%), которая преимущественно располагается в степной зоне. В Курской, Липецкой и Тамбовской обл., расположенных в лесостепной зоне, доля кислых почв составляет соответственно 68.0, 73.8 и 76.0% [6].

Целинный чернозем типичный в слое 10–20 см имеет рН_KCl, равную 6.0, чернозем выщелоченный – 5.3. В степной зоне на территории природного парка “Ровеньский” чернозем обыкновенный в слое 15–25 см имеет величину рН_KCl 7.1.

Для пахотных почв лесостепной зоны ЦЧР в процессе длительной сельскохозяйственной эксплуатации характерен устойчивый тренд к подкислению. Основная естественная причина этого – постоянное вымывание осадками кальция из пахотного слоя, а главная антропогенная причина – использование физиологически кислых минеральных удобрений. Вблизи крупных промышленных центров на подкисление почв может влиять выпадение кислотных осадков (рН 3.0–4.0).

Для степных подтипов черноземов характерен обратный процесс – подщелачивание, причиной которого является перемещение карбонатов с восходящим током влаги в пахотный слой. Это негативно влияет на доступность растениям фосфатов и некоторых микроэлементов. Поэтому слабое подкисляющее действие минеральных удобрений, вносимых в степной зоне, можно считать позитивным.

Кислотность почв сильно зависит от развития эрозионных процессов. В Украинской лесостепной почвенной провинции в зависимости от экспозиции склона величина рН_KCl чернозема типичного слабосмытого была на 0.12–0.46, а среднесмытого – на 0.58–0.90 ед. больше, чем в несмытых почвах водоразделов. Как правило, на южных склонах величина рН_KCl больше, чем на северных.

По результатам агрохимического обследования 1976–1983 гг., доля кислых почв в области была минимальной и составляла всего 22.9%, в том числе среднекислых – 1.5%. В 1984–1994 гг. (4-й и 5-й циклы), несмотря на достаточно высокие объемы известкования (>30 тыс. га/год), доля кислых почв увеличилась до 35.9%, в том числе среднекислых – до 7.1%. За период мониторинга с 1995 г. по 2014 г. (6-, 7- и 8-й циклы) доля кислых почв увеличилась с 33.5 до 45.8%, среднекислых – с 6.1 до 12.6% (табл. 3). Причина этого – в резком сокращении объемов известкования в 1995–2009 гг. Например, в 7-м цикле известковали всего 1.2, в 8-м – 1.7 тыс. га/год (рис. 2).

Рис. 2.

Динамика известкования кислых почв, тыс. га/год.

С 2010 г. в области начали реализовывать целевую программу известкования кислых почв, предусматривающую компенсацию части затрат на проведение данного мероприятия, благодаря чему в 9-м цикле ежегодные объемы известкования увеличились до 36.9 тыс. га. За период 2015–2018 гг. (10-й цикл) в среднем известкование проводили на площади 75 тыс. га в год, что составило 30.2% от российского уровня. Основным известковым мелиорантом является дефекат. Средняя доза внесения в 9-м цикле составила 23, в 10-м – 9.4 т/га. За 2015–2018 гг. в Воронежской, Тамбовской, Курской и Липецкой обл. ежегодно известковали соответственно 7.35, 9.23, 9.38, и 20.4 тыс. га кислых почв [4].

Ожидаемым результатом реализации программы известкования стало снижение в 2015–2018 гг. доли кислых почв до 35.5%, (среднекислых – до 5.8%). Оценивая эффективность известкования, следует учитывать, что под плановое агрохимическое обследование 2015–2018 гг. попала только часть почв, произвесткованных в эти годы, и все почвы, произвесткованные в 2010–2014 гг. Часть почв, произвесткованных в течение 10-го цикла, попадет под обследование только в 11-м цикле (2019–2022 гг.).

По результатам 10-го цикла агрохимического обследования, наиболее высокая доля кислых почв отмечена в МО, полностью входящих в Украинскую лесостепную почвенную провинцию: Грайворонском городском округе – 62.2, Ракитянском – 64.7, Ивнянском – 72.3, Борисовском –73.0% р-нах (табл. 2). В МО, входящих в степную зону, кислые почвы практически отсутствуют, и отмечено систематическое подщелачивание черноземов. За период между 3-м и 10-м циклами обследования средневзвешенная величина рН_KCl пахотных почв в Ровеньском р-не увеличилась с 6.5 до 6.85, в Вейделевском – с 6.2 до 6.35. Гидролитическая кислотность за период с 4-го по 10-й циклы в Ровенском р-не уменьшилась с 1.6 до 0.79, в Вейделевском – с 1.7 до 1.54 ммоль/100 г почвы.

Содержание подвижных форм Р₂О₅ и K₂О в почвах является одним из важнейших показателей их плодородия, поскольку эти данные используют для оптимизации фосфорного и калийного питания растений [14, 15]. В пахотных почвах Тамбовской, Липецкой, Воронежской и Курской обл. средневзвешенное содержание подвижных форм Р₂О₅ составляет соответственно 91, 97, 99, 131 мг/кг, подвижных соединений K₂О – 102, 121, 123, 106 мг/кг [6].

Целинные черноземы типичный и выщелоченный содержат в слое 10–20 см соответственно 28 и 24 мг/кг подвижных форм Р₂О₅, 101 и 105 мг/кг – K₂О, что по общепринятой в агрохимической службе оценочной шкале соответствует низкому уровню обеспеченности фосфором и повышенному – калием.

По данным 1-го цикла агрохимического обследования, средневзвешенное содержание подвижных форм Р₂О₅ в пахотных почвах области составляло 55 мг/кг, затем величина данного параметра постоянно увеличивалась и в 6-м цикле достигла 131 мг/кг. Далее содержание подвижных соединений Р₂О₅ стало снижаться, достигнув 116 мг/кг в 8-м цикле, после чего опять стали отмечать рост данного показателя до 138 мг/кг в 9-м и до 146 мг/кг – в 10-м циклах (табл. 4).

Средневзвешенное содержание подвижных форм K₂О в 1-м цикле составляло 105 мг/кг, к 4‑му циклу увеличилось до 130 мг/кг, а затем до 8-го цикла было относительно стабильным, находясь в интервале 121–130 мг/кг. В 9-м и 10-м циклах обследования средневзвешенное содержание подвижных соединений K₂О соответственно увеличилось до 147 и 172 мг/кг (табл. 5).

Основными антропогенными факторами, определяющими динамику содержания в почвах подвижных форм Р₂О₅ и K₂О, являются уровень использования органических и минеральных удобрений и формирующийся при этом хозяйственный баланс элементов. Кроме того, на содержание подвижных форм Р₂О₅ сильно влияет величина кислотности почв. При подщелачивании почв в результате известкования содержание подвижных фосфатов снижается [14].

В последние годы количество азота, поступающее с минеральными удобрениями, существенно выросло, Р₂О₅ – стабилизировалось на низком уровне, а K₂О – немного снизилось. В 10-м цикле обследования Р₂О₅ вносили в дозе 20.6 кг/га (18.3% от общего количества д.в.), K₂О – 16.6 кг/га (14.8%) (рис. 3). Основным источником поступления элементов стали органические удобрения, с которыми вносили ≈56% Р₂О₅ и 80% K₂О. В 9-м цикле обследования поступление Р₂О₅ и K₂О с удобрениями компенсировало вынос этих элементов с товарной частью урожая соответственно на 144 и 208%, в 10-м – на 152 и 256% [16].

Рис. 3.

Динамика поступления элементов питания с минеральными удобрениями, кг д.в./га.

По результатам 10-го цикла обследования, до 17.6% увеличилась доля почв с очень высоким содержанием подвижных форм Р₂О₅, но пока преобладают почвы со средним (29.0%) и повышенным (35.1%) содержанием подвижных форм этого элемента. Доля почв с очень высоким содержанием подвижных соединений K₂О возросла до 33.8%, а преобладают почвы с его высоким (41.3%) содержанием. В муниципальных образованиях области наблюдают достаточно сильную дифференциацию данных показателей, что в первую очередь связано с уровнем использования органических удобрений. В почвах Белгородского р-на отмечено наиболее высокое средневзвешенное содержание подвижных форм Р₂О₅ (183 мг/кг), в почвах Ровеньского р-на – самое низкое (107 мг/кг). Самое высокое средневзвешенное содержание подвижных форм K₂О (239 мг/кг) было зафиксировано в почвах пашни Корочанского, а самое низкое (127 мг/кг) – в почвах Краснояружского р-нов.

Содержание подвижных форм серы и микроэлементов в пахотных почвах также является важным показателем плодородия, поскольку они напрямую влияют на урожайность сельскохозяйственных культур и качество растениеводческой продукции. В пахотных почвах многих регионов России отмечен дефицит подвижных форм серы и микроэлементов [17, 18]. Например, доли почв, низкообеспеченных подвижными формами марганца, цинка и меди, в Воронежской обл. соответственно составляют 86.9, 99.7 и 96.5%, в Липецкой – 35.1, 99.7 и 97.0%, в Тамбовской – 95.4, 97.9 и 100%. Недостаток подвижной серы отмечен в 89.2% обследованных почв в Тамбовской обл. и 58.0% – в Липецкой [7, 19, 20].

В слое 10–20 см целинных черноземов типичных и выщелоченных фоновые уровни содержания подвижных форм серы соответственно составляют 4.5 и 2.9 мг/кг, цинка – 0.79 и 0.75, кобальта – 0.2 и 0.15, марганца – 10.9 и 12.8, меди – 0.24 и 0.19 мг/кг. В обоих подтипах чернозема содержание подвижных форм серы и цинка оценено как низкое, марганца – как среднее. Чернозем типичный характеризуется средней обеспеченностью подвижными формами меди и кобальта, чернозем выщелоченный – низкой обеспеченностью.

Средневзвешенное содержание подвижной серы в пахотных почвах области на максимальном уровне (6.8 мг/кг) было зафиксировано в 5-м цикле обследования, после чего резко сократилось поступление элемента в агроценозы от всех антропогенных источников, и величина данного показателя стала неуклонно снижаться, достигнув минимума (2.6 мг/кг) в 8-м цикле. По мере увеличения доз вносимых органических удобрений содержание серы в почвах возросло в 9-м цикле до 2.8, в 10-м – до 3.3 мг/кг [17]. В последнем цикле обследования установлено, что по величине данного параметра 90.4% почв относятся к категории низкообеспеченных (<6.0 мг/кг), 8.4% – среднеобеспеченных (6–12 мг/кг), 1.2% – высокообеспеченных (>12 мг/кг).

По итогам 10-го цикла мониторинга установлено, что средневзвешенное содержание в почвах области подвижных форм марганца, цинка, меди и кобальта составляет соответственно 11.7, 0.5, 0.11, 0.078 мг/кг. К группе с низкой обеспеченностью подвижными формами кобальта (<0.15 мг/кг) относится 99.4, цинка (<2 мг/кг) – 98.7, меди (<0.2 мг/кг) – 98.2, марганца (<10 мг/кг) – 38.6% обследованных почв пашни. Для таких почв эффективно внесение микроудобрений. В районах области между средневзвешенным показателем гидролитической кислотности почв и содержанием подвижных форм цинка (r = 0.72) установлена сильная корреляционная связь, меди (r = 0.33) и марганца (r = 0.34) – связь средней силы, а корреляция с содержанием подвижных форм кобальта отсутствовала. Превышений предельно-допустимых концентраций (ПДК) подвижных форм микроэлементов в почвах на территории области за время наблюдений не фиксировали.

В 9-м цикле обследования средневзвешенное содержание подвижных форм цинка и кобальта было немного больше – 0.52 и 0.10 мг/кг соответственно, меди (0.11 мг/кг) – стабильно, марганца (10.3 мг/кг) – меньше, чем в 10-м цикле.

Урожайность сельскохозяйственных культур является обобщающим показателем плодородия почв. Ключевым фактором повышения продуктивности агроценозов, наряду с внедрением интенсивных сортов и гибридов сельскохозяйственных культур, использованием высокоэффективных средств защиты растений и системы машин, является научно обоснованное использование удобрений [21]. Достигнутые в современных агротехнологиях относительно высокие уровни химической мелиорации, внесения органических и минеральных удобрений привели не только к улучшению многих агрохимических параметров почв, но и к существенному росту урожайности сельскохозяйственных культур. Например, средняя урожайность озимой пшеницы в 10-м цикле составила 4.50 т/га, что в 1.39 раза больше, чем в 5‑м цикле, хотя дозы минеральных удобрений были сопоставимыми, а доза органических удобрений в 5-м цикле была в 3.44 раза больше. Урожайность сахарной свеклы при сопоставимых дозах удобрений в 10-м цикле была в 2.1 раза больше, чем в 5-м. Урожайность кукурузы на зерно в 10-м цикле была почти в 3 раза больше, чем в 5-м, при этом дозы минеральных удобрений, внесенных под эту культуру, сократились в 1.7 раза, а дозы органических удобрений увеличились в 6.8 раза (табл. 6).

В прошлом веке наиболее высокая продуктивность 4.0 тыс. к.е./га посевной площади была достигнута в 4-м цикле. Такой результат являлся следствием реализации программы интенсивной химизации. Затем, по мере уменьшения использования удобрений, в 5-м и особенно 6-м циклах показатель снизился соответственно до 3.73 и 2.47 тыс. к.е./га. После этого фиксировали постоянный рост продуктивности, и в 10-м цикле величина параметра достигла максимума 4.85 тыс. к.е./га (рис. 4).

Рис. 4.

Динамика продуктивности почв, тыс. к.е./га посевной площади.

Установлена тесная корреляционная связь между продуктивностью почв и уровнем применения минеральных (r = 0.80) и органических (r = 0.88) удобрений. Из минеральных удобрений наиболее сильно влияет на данный показатель уровень внесения азотных (r = 0.96), в меньшей степени – фосфорных (r = 0.56) и калийных (r = = 0.48) удобрений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в течение 10-го цикла агрохимического обследования (2015–2018 гг.) пахотных почв Белгородской обл. средний уровень внесения минеральных удобрений составил 112.3 кг/га, органических – 8.1 т/га, известкования – 75 тыс. га кислых почв в год. В результате средняя урожайность озимой пшеницы увеличилась до 4.50, сахарной свеклы – до 44.1, кукурузы на зерно – до 6.65 т/га, а продуктивность 1 га посевной площади достигла 4.85 тыс. к.е.

При этом в почвах установлены максимальные за всю историю наблюдений величины средневзвешенного содержания органического вещества (5.2%), подвижных форм Р₂О₅ (146 мг/кг) и K₂О (172 мг/кг). Доля кислых почв снизилась до 35.5%, в том числе среднекислых – до 5.8%. Средневзвешенное содержание подвижных форм серы увеличилось до 3.3, марганца – до 11.7, меди – оставалось стабильным (0.11), цинка и кобальта – снизилось соответственно до 0.50 и 0.078 мг/кг.