Агрохимия, 2022, № 9, стр. 3-14

ВВЕДЕНИЕ

Многолетние полевые опыты – довольно распространенный метод исследования в почвоведении и агрохимии. Однако многолетнюю специфику таких опытов анализируют очень редко. Одна из причин этого – отсутствие общепринятой методики анализа подобных данных. В работе [1] представлен возможный вариант такой методики.

Цель работы – анализ многолетней динамики агрохимических показателей почвы в одном из длительных опытов.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Микроделяночный полевой опыт заложен в 1984 г. на дерново-подзолистой глееватой супесчаной почве на моренном суглинке на территории ВНИИОУ (Судогодский р-н Владимирской обл.) [2]. Варианты опыта содержали контроль и сочетания различных доз осадков городских сточных вод (ОСВ) и извести (доломитовой муки) в качестве мелиорантов (табл. 1). Не считая контроля, в остальных вариантах дозы ОСВ имели 4 уровня (градации), дозы извести – 3. Число организованных полевых повторений – 6, площадь делянки – 3 м² (2 × 1.5 м). Расположение вариантов внутри повторений – рандомизированное.

ОСВ вносили осенью в пахотный слой в 1984–1995, 2000, 2006, 2010 и 2015 гг., доломитовую муку – в 1984, 1990, 1995, 2006, 2011 и 2015 гг. Дозы извести соответствовали ≈2, 4 и 6 величинам гидролитической кислотности (Н_г).

Имеется опубликованная информация об агрохимических свойствах почвы перед закладкой опыта и в 2003, 2014–2019 гг. (средние для вариантов) [3–9]. Дополнительно к этому в 2015 и 2017 гг. были проведены обследования опыта сотрудниками Почвенного института им. В.В. Докучаева (табл. 2, 3). Результаты последних в некоторых случаях для дальнейшего математического анализа были усреднены с ранее опубликованными. Повторим, что математический анализ опыта в настоящей работе проводили только для средних в вариантах.

Так как число изученных сроков опыта равно 8, то согласно методике [1], при анализе этих данных решали только 2 основные задачи: 1 – устойчивость по годам эффектов от доз факторов опыта на агрохимические показатели почвы, 2 – сходство и различие многолетних динамик этих же показателей между вариантами.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Прежде чем переходить к основным задачам, кратко обсудим данные табл. 2, 3. В первую очередь отметили (табл. 2) резкое ухудшение всех показателей плодородия уже в подпахотном слое почвы (кроме содержания обменного калия), несмотря на почти 40-летнее внесение ОСВ и извести в пахотный слой. Даже в варианте 9 сильнейшее окультуривающее воздействие мелиорантов почти не проникло в подпахотный слой. Мелиоративные дозы фосфора, кальция, магния, органического вещества не прошли вниз, несмотря на супесчаный гранулометрический состав. А если прошли, то куда делись? Этот вопрос требует специального изучения. Ясно только, что в данных условиях без глубокого механического перемешивания окультуривание почвы в смысле расширения плодородного слоя не происходило. Что касается только пахотного слоя (табл. 3), то тут различия между вариантами были более закономерными.

Устойчивость по годам эффектов доз факторов. Для каждого оцененного года определяли зависимости агрохимических показателей почвы от факторов дисперсионным (ДА) и регрессионным (РА) анализами. При этом не участвовал вариант контроля, чтобы не нарушать схему опыта – полного факторного эксперимента (4 × 3).

Результаты ДА по годам представлены в табл. 4. Величина рН_KCl большей частью значимо зависела от обоих факторов, причем большее влияние оказало внесение извести. Определенной связи со сроками внесения в этом случае не установлено. Для показателя гидролитической кислотности установлена несколько другая закономерность: видна тенденция к уменьшению со временем влияния доз ОСВ и к увеличению влияния доз извести. Аналогичные тенденции во времени показаны для обменных катионов и ЕКО, что свидетельствовало о некоем едином процессе преобразования обменного комплекса почвы, пополняемого из ОСВ и доломита.

Для содержания подвижного фосфора во все годы отмечено подавляющее влияние доз ОСВ и практически отсутствие влияния доз извести. Для содержания подвижного калия выявлена подобная закономерность, хотя в среднем влияние доз ОСВ было меньшим. Для содержания С_орг и валового азота результаты были подобны тем, что получены для содержания подвижного фосфора.

Если рассматривать вышеописанное с точки зрения устойчивости влияния факторов опыта, то она отмечена для содержания подвижных фосфора и калия, С_орг, а для показателей обменного комплекса устойчивости влияние не было обнаружено.

Рассмотрим результаты РА. В РА везде использовали квадратичную модель для обоих факторов, наименее значимые члены модели отбрасывали, достигая варианта модели с наименьшей ошибкой. Эти варианты представлены в табл. 5, они отражают основные закономерности и в целом подтверждали результаты ДА.

На величину рН_KCl в большинстве лет влияли оба фактора, причем эффект доз ОСВ  в 2015–2017 гг. был нелинейным (проходил через максимум). В 2015 г. максимум эффекта соответствовал суммарной дозе 1000, в 2016 – 670, в 2017 –1430 т/га. В целом можно считать влияние ОСВ на рН_KCl устойчивым. Эффект от доз извести тоже был устойчивым (повышение показателя рН_KCl), за исключением 2014 г., когда зависимость проходила через минимум при дозе 6.5 т извести/га.

Возрастание доз ОСВ в первые 2 представленных срока увеличивало величину Н_г, в последующем (после переходного 2015 г.) – уменьшало. Влияние доз извести на показатель Н_г проходило то через максимум, то через минимум. Таким образом, не было устойчивого характера влияния факторов во времени.

Влияние доз ОСВ на сумму обменных оснований можно считать устойчивым во времени в первом приближении (возрастание S), т.к. рассчитанные по уравнениям максимумы были близки к верхним границам реальных доз. Влияние доз извести тоже можно считать устойчиво положительным по тем же причинам, кроме 2003 г.

Величина ЕКО возрастала во все годы опыта с ростом доз ОСВ, т.е. воздействие было устойчивым. С ростом доз извести отмечена другая закономерность: в 2003 г. – снижение ЕКО, в 2014–2015 гг. – возрастание ЕКО до дозы извести 6.7–6.9 т/га и снижение при бо́льших дозах, в 2016–2017 гг. – возрастание ЕКО во всем диапазоне доз извести. Таким образом, воздействие доз извести на данном отрезке времени было неустойчивым. В этом случае можно говорить о постепенном переходе от снижающего влияния извести к возрастающему, при этом учитывая, что 2016 и 2017 гг. – это первые годы после очередного внесения извести. Можно также отметить, что и ДА и РА указывали на изменчивость величины ЕКО в условиях данного опыта: изменчивость как внутри отдельных лет, так и между годами.

На содержание подвижного фосфора во все исследованные годы влияние доз ОСВ было положительным, но большей частью нелинейным с замедлением роста (кроме 2017 г.). Такая закономерность создавала впечатление, что при бóльших дозах ОСВ часть внесенного фосфора оставалась недоступной методу Кирсанова. Влияние доз извести тоже было положительным, но проявлялось только 2 года (2015 и 2017). Таким образом, влияние факторов опыта на содержание подвижного фосфора было в первом приближении устойчивым.

На содержание подвижного калия влияние доз ОСВ было положительным и нелинейным, несколько выпадал 2014 г., когда зависимость проходила через минимум при суммарной дозе 400 т ОСВ/га. Влияние доз извести в этом случае было неоднозначным: в 2003 г. его не фиксировали, в 2014–2015 гг. оно было положительным, в 2016 г. проходило через максимум при разовой дозе 5.6 т/га, а в 2017 г. было отрицательным. Таким образом, влияние доз ОСВ в этом случае можно считать более или менее устойчивым, а влияние доз извести неустойчивым (имелась временна́я динамика влияния).

На содержание органического углерода увеличение доз ОСВ влияло ожидаемо положительно (и нелинейно) все годы, т.е. устойчиво. Влияние доз извести менялось со временем (было неустойчивым): в 2014 г. оно не проявилось, в 2015 г. проходило через минимум при разовой дозе 5.6 т/га, в дальнейшем было положительным.

Влияние факторов на содержание валового азота почвы описывают данные только за 2 года, поэтому об устойчивости говорить затруднительно. Влияние доз ОСВ было положительным и линейным, а влияние доз извести – нелинейным, при этом положительным в 2014 г. и проходящим через минимум при дозе 5.8 т/га в 2017* г.

Сходство и различие вариантов в зависимости от многолетних временны́х динамик агрохимических показателей почвы. Общее представление о временны́х динамиках агрохимических показателей почвы дает рис. 1. На нем показаны в условном временно́м масштабе многолетние изменения для контрольного варианта и вариантов с наименьшими и наибольшими дозами мелиорантов (для уменьшения перегруженности рисунка). Для показателя рН_KCl временны́е ряды близки между собой, но контрольный вариант заметно отличается меньшими показателями, причем для него видны сильные изменения от года к году и общая тенденция к росту. Для гидролитической кислотности отмечена похожая закономерность с сильными изменениями, но контрольный вариант заметно не отличался от других. Для суммы обменных оснований и ЕКО временны́е ряды для вариантов в основном были довольно близки друг к другу с уходом вверх при самых высоких дозах ОСВ. Для содержания Р₂О₅ ряды закономерно повышались с ростом доз ОСВ. При малых и средних дозах ОСВ была видна стабилизация уровня содержания Р₂О₅ со временем, а при больших дозах продолжается его рост. Для содержания K₂О такой четкой закономерности не обнаружено, изменения в вариантах более или менее были синхронными. Для содержания С_орг закономерность была похожа на временнóй ряд содержания подвижного фосфора.

Рис. 1.

Многолетняя динамика агрохимических показателей почвы. По оси абсцисс – годы: 1 – перед закладкой опыта, 2 – 2003, 3 – 2014, 4 – 2015, 5 – 2016, 6 – 2017, 7 – 2018, 8 – 2019 г.

Парные сходства временны́х динамик вариантов (по шкале от 0 до 100%) рассчитывали, как указано в работе [1], по всей совокупности вариантов. В качестве примера эти сходства показаны в табл. 6 и 7 для обменных оснований и подвижного фосфора – верхние треугольники таблиц. Уровни сходства 70% и выше отмечены подчеркиванием.

Парные различия временны́х динамик вариантов оценивали по t-критерию для сопряженных выборок. В табл. 6 и 7 (нижние треугольники) показаны только значимые по t-критерию средние разности, причем слабозначимые (уровень значимости 0.10) отмечены звездочкой.

Из этих расчетов видно, что, например, для Ca + Mg различающимися можно признать временные динамики следующих вариантов (табл. 6): 1 (контроль) и 5 (градация доз ОСВ = 4, градация доз извести = 1), 1(К) и 9(4, 2), 3(2, 1) и 5(4, 1), 7(2, 2) и 13(4, 3). Видно, что где-то различия были обусловлены дозами одного фактора, а где-то – дозами обоих факторов опыта. Аналогично можно оценить пары вариантов и по другим агрохимическим показателям.

У разных показателей количество надежно различающихся по многолетней динамике пар вариантов сильно менялось. Например, для обменных оснований установлено всего 4 таких пары (см. выше). Для ЕКО же имеется лишь одна пара – варианты 1 и 9. Это можно расценить как слабое влияние факторов опыта на временну́ю динамику обменного комплекса пахотного слоя.

Для других агрохимических показателей почвы найдены десятки различающихся по динамике пар вариантов. Для содержания подвижного фосфора (табл. 7) все варианты с внесением мелиорантов отличаются от контроля, а между собой они тоже часто различаются за счет разных доз ОСВ или извести. Подобная ситуация установлена и для рН_KCl и содержания С_орг. Таким образом, для этих агрохимических показателей почвы многолетняя динамика сильно зависела от доз мелиорантов.

Несколько меньше различающихся по динамике пар вариантов для Н_г и K₂О: для Н_г большинство вариантов отличалось от контроля, а в остальных случаях различия ожидаемо были связаны с разными дозами извести; для содержания K₂О отличались от контроля лишь 3 варианта с максимальными дозами ОСВ (варианты 5, 9, 13), а различия в других парах вариантов почти всегда были связаны с разницей в дозах ОСВ.

Представляет интерес рассмотреть отличия многолетних динамик в вариантах в зависимости от градаций (доз) факторов опыта как части общего анализа, изложенного выше (табл. 8). Для этого использованы значимые средние разности. Для рН_KCl видна тенденция к росту абсолютной разности с увеличением дозы извести; аналогичная закономерность отмечена для показателя Н_г. Для показателя Ca + Mg большинство средних разниц было слабо значимо или не значимо, но видна тенденция к росту абсолютных величин с увеличением доз ОСВ. Для показателя ЕКО и содержания K₂О значимых средних разниц было очень мало. Для содержания Р₂О₅ и С_орг все разницы с контролем были значимы и однозначно увеличивались с ростом дозы ОСВ.

Динамики внесения фосфора и калия и их содержаний в пахотном слое. Рассмотрим, как сопрягались эти статьи баланса фосфора и калия в данном опыте. Для краткости соответствующие данные приведены в табл. 9 только для вариантов с наименьшей и наибольшей дозой внесения ОСВ. Так как в ОСВ измерили как валовое содержание, так и подвижные формы фосфора и калия, то сопоставлены обе эти формы. Содержание Р₂О₅ и K₂О в ОСВ менялось в зависимости от года внесения, поэтому для данной задачи использовали медианные величины.

При наименьших дозах ОСВ (вариант 2) содержание подвижного фосфора в почве оказалось близко к валовому внесению, но значительно больше внесения подвижной формы. Для содержания K₂О отмечена другая закономерность: содержание в почве подвижной формы было заметно меньше валового внесения, но больше внесения обменной формы, содержащейся в ОСВ.

При наибольших дозах внесения ОСВ (вариант 5) содержание подвижного Р₂О₅ было несколько больше внесенной подвижной формы, но во много раз меньше внесенного валового фосфора. Содержание подвижного калия почвы было меньше внесенного обменного и значительно меньше внесенного валового калия.

Так как миграции фосфора и калия вглубь почвы практически не обнаружено (табл. 2), то с точки зрения баланса питательных веществ в этом случае не учтен в основном вынос их урожаем растений. Скорее всего, это могло повлиять на сопоставление данных о содержании обменного калия при малых дозах внесения ОСВ, когда внесенное валовое количество было лишь несколько больше найденного подвижного калия в почве. В остальных случаях преобладали чисто почвенные химические и физико-химические процессы. Валовые фосфор и калий из ОСВ лишь частично переходили в подвижные формы, оставаясь в основном в трудноизвлекаемом запасе.

ВЫВОДЫ

1. Устойчивость влияния факторов опыта (внесение осадка сточных вод (ОСВ), извести) в зависимости от года опыта отмечена для содержания подвижных фосфора и калия, органического углерода почвы, но эта закономерность не выявлена для показателей обменного комплекса почвы.

2. Сравнение многолетних временны́х динамик различных вариантов опыта с контролем в зависимости от доз мелиорантов показало, что для показателей рН_KCl и Н_г средние разницы увеличивались с ростом доз извести, для содержания Р₂О₅, С_орг и суммы обменных катионов – с ростом доз ОСВ, для показателя ЕКО и содержания K₂О значимых средних разниц было мало.

3. При сравнении вариантов опыта между собой (без контроля) оказалось, что для показателей Ca + Mg и ЕКО достоверных различий были единицы, для Н_г и K₂О – несколько больше, для Р₂О₅, С_орг и рН_KCl – много.

4. Внесенные с большими дозами ОСВ, фосфор и калий в значительной степени оставались в почве в трудноизвлекаемых формах.

5. Почти 40-летнее внесение ОСВ и извести в пахотный слой дерново-подзолистой глееватой супесчаной почвы на моренном суглинке показало, что окультуривания подпахотного слоя практически не произошло. Вопрос требует специального изучения.