Почвоведение, 2020, № 12, стр. 1521-1536

ВВЕДЕНИЕ

В мире проводится более 600 длительных полевых опытов с удобрениями, которые охватывают почти все типы почв и климатические условия. Длительные стационарные эксперименты являются уникальной основой для исследований эффективности удобрений, их влияния на почвенное плодородие, урожайность и качество сельскохозяйственных культур [38, 41]. Большое разнообразие почвенных, климатических и погодных условий России, а также огромная изменчивость агрохимических свойств почв в пространстве и времени требуют всесторонних исследований в регионах страны в течение длительного времени. Такие исследования проводятся в рамках Географической сети опытов с удобрениями, головным координатором которых является Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии имени Д.Н. Прянишникова (Геосеть ВНИИА). В состав Геосети входят 65 научных и учебных учреждений, проводящих около 130 длительных полевых опытов с удобрениями (почти 1/5 от всех опытов в мире). Более половины из них продолжается свыше 35 лет, 15 – более 70 лет. По территории России опыты распределены следующим образом: наибольшее количество сосредоточено в Нечерноземной зоне и Приволжском федеральном округе. В Сибирском федеральном округе – 20 аттестованных длительных опытов, Уральском федеральном округе – семь, на Дальнем Востоке – три опыта [29].

В рамках Геосети решаются вопросы, которые не могут быть изучены в краткосрочных полевых экспериментах:

– возможность устойчивого функционирования агроэкосистем при длительном сельскохозяйственном использовании;

– эффективность систем удобрений (органической, минеральной, органо-минеральной) на различных типах почв в условиях изменяющегося климата и экстремальных погодных условиях;

– поддержание исходного содержания гумуса при применении традиционных систем удобрения;

– изучение длительной временнόй динамики гумуса и азота в зависимости от применяемых систем земледелия;

– влияние комплексного применения удобрений и пестицидов на вредителей и фитопатогенов сельскохозяйственных культур при изменении климата и введении новых сортов и гибридов;

– изучение взаимодействия между почвой, растениями и удобрениями в процессе возделывания сельскохозяйственных культур;

– проверка моделей эффективности ведения систем земледелия в рамках длительных стационарных исследований.

В последние два десятилетия в длительных полевых опытах в России и в мире дается количественная оценка динамики содержания углерода и азота в почве, разрабатываются методы достижения бездефицитного баланса гумуса. За последние 100 лет среднегодовая температура на Земном шаре увеличилась на 0.74°С, что делает исследования длительных опытов особенно ценными. На основании продолжительного временнόго тренда можно сделать ретроспективный анализ изменения гумусового состояния почв и разработать мероприятия по недопущению их дегумификации [24, 37, 40, 41].

Цель настоящей работы – изучение изменения почвенного органического углерода (С_орг) при применении различных систем удобрения на разных типах почв, а также определение скорости изменения С_орг в контрастных вариантах в длительных опытах Геосети; выявление географических закономерностей эффективности удобрений на основных типах почв России.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Из длительных стационарных опытов, проводимых в рамках Геосети России, включающих органическую, минеральную и органо-минеральную системы удобрений, уравновешенных по действующему веществу, выбрали 21 опыт. В качестве контроля использовали вариант без внесения удобрений.

Опыты заложены на основных типах почв: дерново-подзолистых (Retisols, Luvisols and Podzols), серых лесных (Luvic Greyzemic Phaeozem), черноземах (Chernozems), каштановых (Kastanozems), лугово-бурых (Albic Stagnic Luvisol) и лугово-черноземовидных (Luvic Greyzemic Stagnic Phaeozem) (табл. 1).

Мы представляем результаты длительных полевых опытов с широким географическим охватом: с севера (Тверская область) на юг (Краснодарский край), на восток, включая Сибирь, Бурятию и юг Дальнего Востока: Амурскую область, Хабаровский и Приморский края.

Большинство (11 опытов) заложены в период 1964–1993 гг., 10 опытов имеют продолжительность от 50 до 81 года. Все эксперименты, за исключением Москвы (Долгопрудная агрохимическая опытная станция), являются действующими. Результаты исследований приводятся по материалам, полученным в первые два десятилетия XXI в.

Длительные стационарные опыты заложены на трех последовательно вводимых полях, что позволяло оценить воздействие удобрений на урожайность каждой культуры за три года в одной ротации севооборота. В ряде опытов исследования ведутся на одном севооборотном поле. Некоторые эксперименты развернуты в пространстве и во времени на всех полях севооборота.

Среднегодовая температура колебалась от 0.8 (Амурская область, Благовещенск) до 10.9°С (Краснодарский край) при годовом количестве осадков от 242.3 (республика Бурятия) до 696 мм (Смоленская область). Следовательно, амплитуда колебаний температуры составляла 13.6 раз, осадков – 2.9 раза. Подробная характеристика опытов представлена в табл. 1, 2.

С каждой делянки с помощью тростьевого бура из пахотного слоя почвы (0–20 см) отбирали 15–20 индивидуальных образцов, проходя посередине, вдоль длинной стороны делянки, для составления смешанного образца. Повторность – трех-четырехкратная. Отбор образцов проводили осенью, после завершения ротации севооборота. Во всех исследованиях содержание С_орг в почве определяли окислением органического вещества бихроматным методом И.В. Тюрина. Различия в изменении содержания С_орг в почве длительных опытов статистически обрабатывали (Multifactor analysis of variance ANOVA) с последующей оценкой достоверности между вариантами при р < 0.05.

Ссылки на оригинальные статьи руководителей и соисполнителей стационарных полевых опытов с удобрениями Геосети ВНИИА приводятся в табл. 1.

Урожайность культур севооборотов для унификации обобщения материалов приведена в центнерах зерновых единиц (з. е.) на 1 га.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Урожайность. За последние 30 лет урожайность сельскохозяйственных культур, как в полевых опытах, так и на землях сельхозпредприятий увеличилась в два раза. Во многом это связано с применением средств защиты растений (фунгициды, инсектициды, гербициды и др.), регуляторов роста растений, а также с успехами селекционеров в создании высокоинтенсивных сортов, отзывчивых на применение удобрений. Многие длительные опыты демонстрируют положительную динамику продуктивности севооборотов, окупаемости удобрений урожайностью культур и улучшение основных показателей плодородия почв.

Например, в 51-летнем опыте Центральной опытной станции ВНИИ агрохимии на дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве без применения химических средств защиты растений продуктивность севооборота без удобрений составляла всего 30.4, а при органо-минеральной системе удобрения – 39.7 ц з. е./га. Дополнительное использование гербицидов, фунгицидов и ретардантов повысило продуктивность севооборота на 13.1 ц з. е./га [1]. В Кабардино-Балкарском научном центре РАН на черноземе обыкновенном карбонатном тяжелосуглинистом без внесения удобрений на богаре продуктивность севооборота составила 19.2 ц з. е./га. На фоне орошения совместное внесение навоза с N₄₄P₄₂K₂₄ способствовало последовательному увеличению продуктивности севооборота в 2.6 раза до 49.9 ц з. е./га в 2010–2016 гг. [3, 4]. Аналогичные результаты получены и на других стационарных опытах.

Анализируя влияние удобрений на урожайность культур и продуктивность севооборотов в длительных стационарных опытах, можно выделить следующие зональные особенности.

По мере продвижения с севера на юг европейской части России увеличивается теплообеспеченность, что наряду с ростом гумусированности почв ведет к повышению урожайности сельскохозяйственных культур. Если на дерново-подзолистых почвах среднегодовая продуктивность севооборотов в неудобренных вариантах составляла 21.3 ц з. е./га, на серых лесных – 30.2, то на черноземах – 32.7 ц з. е./га (рис. 1).

Рис. 1.

Эффективность минеральной, органической и органо-минеральной систем удобрения на разных типах почв в длительных опытах Геосети России (обобщенные данные по 21 опыту).

Во всех опытах минеральная система удобрения имела преимущество над органической. Наибольший эффект от NPK по сравнению с внесением навоза (+25%) отмечен в опытах, проведенных на почвах с большим содержанием почвенного органического углерода (черноземах), наименьший – на дерново-подзолистых и серых лесных (12–17%).

Органо-минеральная система обеспечивала наибольшую продуктивность севооборотов: 55.4 ц з. е./га на черноземах выщелоченных, обыкновенных, южных, 41.4 – на серых лесных и 37.3 ц з. е./га на дерново-подзолистых почвах. При совместном внесении навоза и NPK урожайность по сравнению с контролем возрастала в среднем в 1.4–1.8 раза. Наибольшая разница по сравнению с неудобренным вариантом отмечена в опытах ВНИИ льна на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве – 215% от контроля [13]. В опыте на сеяном пастбище ВНИИ кормов за 39 лет наблюдений органо-минеральная система удобрения давала прибавку урожайности луговых трав более чем в 3 раза и превосходила по продуктивности органическую в 1.7 раза [14].

Такой же высокий уровень урожайности при совместном внесении органических и минеральных удобрений (307% от контроля) отмечался в длительном стационарном опыте ВНИИ сахарной свеклы и сахара на черноземе выщелоченном тяжелосуглинистом [21, 22]. В засушливых условиях Кабардино-Балкарии орошение способствовало повышению эффективности удобрений на 70% [3, 4].

В условиях сухой засушливой степи Забайкальского края в длительном стационарном опыте Бурятского НИИСХ, заложенном в 1967 г. на каштановой мучнисто-карбонатной среднемощной супесчаной почве, при систематической засухе урожайность пшеницы и овса была низкой (4.6–5.4 ц/га), овса на зеленую массу – 8.6 ц/га [7, 33]. В условиях засухи 2015–2017 гг., когда с мая по июль выпадало всего около 60 мм осадков, внесение навоза в дозе 20 т/га в чистом пару превосходило внесение эквивалентных доз минеральных удобрений на 11%, а органо-минеральных систем – на 15%.

На юге Дальнего Востока на лугово-черноземовидных и лугово-бурых почвах, составляющих основной массив пашни Дальневосточного региона, заложено три опыта, продолжительностью более 50 лет: в Амурской области, Хабаровском и Приморском краях. В опытах Всероссийского НИИ сои, Дальневосточного НИИСХ и Приморского НИИСХ в севооборотах с ведущей для данного региона культурой – соей – органо-минеральная система удобрения по продуктивности севооборота была равна минеральной. Следует отметить, что на лугово-бурых почвах Хабаровского края органическая система уступала как минеральной, так и органо-минеральной на 25%. Для Приморского и Хабаровского краев, характерен муссонный климат, с выпадением большого количества осадков за вегетационный период (527–556 мм). В Амурской области выпадает несколько меньшее, но достаточное количество осадков (390 мм за вегетацию). Продуктивность севооборотов с соей на лугово-черноземовидных почвах была на 34% меньше, чем лугово-бурых и составляла 20.7 в контроле и 25.2–25.6 ц з. е./га при минеральной и органо-минеральной системах удобрения [10, 25, 27, 31].

Следует отметить, что органо-минеральная система удобрения по действию на урожайность превосходила минеральную на 1–40% в 17 опытах, в то время как минеральная была эффективнее органо-минеральной на 2–3% в трех опытах и на 40% – в одном (возможно, это недостоверно) (рис. 2).

Рис. 2.

Изменение урожайности в севооборотах при органо-минеральной системе удобрения (ОМС) на разных типах почв в сравнении с минеральной (NPK) системой (МС) (урожайность при применении МС взята за 100%, обобщенные данные по 21 опыту).

Можно выявить следующую закономерность в эффективности удобрений в различных почвенно-климатических зонах страны. В европейской части России продуктивность севооборотов увеличивается с севера на юг в ряду почв: дерново-подзолистые < серые лесные < черноземы (выщелоченные, обыкновенные, южные). В этой зоне выделяется органо-минеральная система удобрений. В условиях сухой степи Забайкалья при остром дефиците влаги урожайность резко уменьшается, а наибольшая величина отмечается при раздельном внесении органических и минеральных удобрений. На юге Дальнего Востока более продуктивными являются лугово-бурые почвы по сравнению с лугово-черноземовидными. В условиях муссонного климата эффективность органо-минеральных систем удобрения равна минеральной.

Содержание почвенного органического углерода (С_орг), его динамика и баланс в длительных опытах Геосети. Из-за большой вариабельности содержания C_орг в пространстве и времени существенные изменения гумусового состояния почв могут быть подтверждены только при систематическом анализе почвы в одних и тех же вариантах в течение длительного периода времени. Также представляется сомнительным сравнение содержания С_орг за короткий промежуток времени (3–5 лет). Необходимо изучать содержание С_орг в динамике, чтобы уловить направленность и темпы изменения почвенного органического вещества при изменении агротехники, способов обработки почв, сроков, способов и доз внесения удобрений. Именно поэтому проведение исследований в длительных опытах Геосети по единой методике служит объективной причиной для получения достоверных результатов по содержанию, динамике и балансу почвенного органического углерода.

На основе анализа данных, полученных в 21-м длительном полевом опыте Геосети ВНИИА, изучено влияние различных систем удобрения на содержание С_орг в почве (табл. 2). Результаты свидетельствуют о большом различии в содержании С_орг между опытами, которое изменялось в неудобренных вариантах в диапазоне 0.50–3.93%. В пределах одного типа почв различия были значительно меньше и составляли 0.56–1.55% для дерново-подзолистых и 1.58–3.93 для черноземов. В 18 опытах наибольшая разница между минимальным и максимальным содержанием С_орг наблюдалась между контролем и органо-минеральной системой удобрения, в трех опытах – между контролем и органической системой. Достоверные различия в содержании почвенного органического углерода между вариантами без удобрения и навоз + NPK в четырех опытах были <10 отн. %, в шести различия составляли 15–20%, в десяти – более 20% (рис. 3). В среднем по 21 эксперименту, дифференциация между минимальным и максимальным содержанием С_орг на период отбора образцов составила 21 отн. % или 0.27 абс. %. Наименьшая вариация отмечена для черноземов выщелоченных и лугово-черноземовидных почв.

Рис. 3.

Накопление С_орг в почвах длительных опытах Геосети при органо-минеральной системе удобрения по сравнению с контролем. Розовым цветом показан прирост почвенного органического вещества в варианте с органо-минеральной системой, % от неудобренного варианта (контролю).

Изменение С_орг в различных типах почв является важнейшим информативным показателем скорости прироста/убыли гумуса [20]. Несмотря на различия в генезисе почв, природно-климатических условиях, агротехнике и других факторах среднегодовые темпы прироста запасов С_орг между “контрастными” вариантами имели общие закономерности. В дерново-подзолистых, черноземах, лугово-бурых почвах темпы изменения запасов почвенного органического вещества в пахотном слое (0–20 см) составляли 0.14–0.16 т/год.

В каштановых и лугово-черноземовидных почвах изменение запасов С_орг было в 2 раза меньше. При этом в серых лесных почвах скорость прироста была наибольшей и составляла 0.49 т С_орг/год. Возможно, это связано с тем, что все системы удобрения изучаются на известкованном фоне.

Следует отметить, что, несмотря на повышение содержания органического вещества в почвах при применении органических удобрений и при их совместном внесении с минеральными, во многих экспериментах не удается сохранить исходное (до закладки) содержание С_орг (табл. 3, рис. 4, 5). Анализ экспериментальных данных позволил выявить три разнонаправленные тенденции изменения С_орг по сравнению с исходным уровнем (перед закладкой опытов):

Рис. 4.

Изменение относительного содержания С_орг на дерново-подзолистых, серых лесных почвах и черноземах (выщелоченных, типичных и обыкновенных) по сравнению с исходным уровнем (до закладки опытов, обобщенные данные).

Рис. 5.

Изменение относительного содержания С_орг в каштановых почвах, лугово-бурых и лугово-черноземовидных по сравнению с исходным уровнем (до закладки опытов, обобщенные данные).

– уменьшение содержания С_орг,

– сохранение содержания С_орг,

– увеличение содержания С_орг по сравнению с первоначальным значением.

Например, в опыте ВНИИ льна, на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве, за 63-летний период наблюдений отмечается продолжающееся уменьшение содержания С_орг во всех вариантах опыта по сравнению с исходным, перед закладкой эксперимента. Особенно заметна (–0.55% или 14.85 т/га в пахотном слое 0–20 см, при р < 0.05) убыль С_орг на контроле без внесения удобрений. Несмотря на дозы органических удобрений, рассчитанные на поддержание исходного уровня содержания почвенного органического вещества, его величина не стабилизировалась до настоящего времени. Особенно сильное уменьшение содержания и запасов гумуса, по данным [13], произошло в третьей ротации льняного севооборота, когда было проведено углубление пахотного слоя с припахиванием подзолистого горизонта, что в свою очередь вызвало резкое подкисление и снижение содержания С_орг. В 5–8 ротациях темпы уменьшения запасов гумуса значительно замедлились в вариантах с внесением удобрений, в то время как на контроле продолжалась значительная убыль С_орг.

Подобные тенденции отмечаются на дерново-подзолистых легко- и среднесуглинистых почвах в опытах Ижевской ГСХА Удмуртской Республики и Смоленского НИИСХ Смоленской области [6, 19]. Наибольшее уменьшение содержания почвенного органического углерода в этих опытах отмечается в контрольных вариантах (–0.39–0.40% С_орг), наименьшее – при органо-минеральной системе удобрения (–0.10–0.26% С_орг). Следует отметить, что запасы органического вещества в пахотном слое почвы (0–20 см) без внесения удобрений существенно снизились на 10.5–10.8 т/га, при органо-минеральной системе – 2.7–7.0 т/га (табл. 3)

В опыте Бурятского НИИСХ, заложенном на каштановой почве в 1967 г., темпы снижения С_орг (табл. 3) в варианте без удобрений сохранялись высокими как в первые десятилетия после закладки эксперимента, так и в начале 2000-х годов (∆С = –0.005%/год). Во многом это связано с засушливыми условиями, ветровой эрозией, глубоким промерзанием зимой почвенного профиля, а также ведением севооборота с чистым паром. Только внесение навоза из расчета 5 т/га севооборотной площади обеспечило за 50 лет достоверный прирост запасов почвенного углерода на 1.6 т/га [5].

Орошение чернозема обыкновенного карбонатного в опыте Кабардино-Балкарском научном центре РАН (г. Нальчик) увеличивает убыль содержания гумуса по сравнению с возделыванием культур на богаре, уменьшая его величины по сравнению с исходным уровнем на 0.06–0.23% [16]. Вероятно, при оптимизации уровня влажности почвы в условиях повышенных температур усиливается минерализация почвенного органического вещества.

Следует отметить значительные потери С_орг (–0.21–0.58%) на лугово-бурых почвах без известкования, а также на лугово-черноземовидных почвах юга Дальнего Востока в вариантах с внесением навоза и NPK [27]. Изначально высокий уровень содержания С_орг, большая насыщенность севооборотов соей и пшеницей в условиях повышенного, иногда избыточного увлажнения при сравнительно высоких температурах в летний период являются причинами дегумификации почв, которая продолжается даже при органо-минеральных системах удобрения.

По данным [41], при исходном высоком содержании С_орг в почве оно​ может уменьшаться, пока не будет достигнут новый уровень, даже если дозы органических удобрений рассчитаны в соответствии с бездефицитным балансом гумуса. Таким образом, исходное содержание C_орг и последующие механические обработки, орошение, особенности климата и другие факторы могут иметь решающее влияние на направленность и скорость изменения содержания гумуса в почве.

Обратная тенденция – увеличение содержания С_орг отмечена в опыте ВНИИ кормов, заложенном на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве [14]. Здесь в 1947 г. на суходоле временного избыточного увлажнения была высеяна травосмесь для создания пастбищной агроэкосистемы на основе клевера лугового (Trifolium pratense L.), клевера ползучего (Trifolium repens L.), тимофеевки луговой (Phleum pratense L.), овсяницы луговой (Festuca pratensis Huds), лисохвоста лугового (Alopecurus pratensis L.), костреца безостого (Bromus inermis Leyss.) и мятлика лугового (Poa pratensis L.). Спустя 66 лет, во всех вариантах опыта отмечено увеличение содержания почвенного органического вещества: на 0.38% в контроле и на 0.50–0.76% при внесении NPK и навоза. По данным авторов, использование ФАР (фотосинтетически активная радиация) фитомассой пастбищных трав на контроле составляла 0.25%, при раздельном внесении N_{120(40-40-40)}P₄₅K₉₀ (в виде трех подкормок за вегетацию) и навоза (20 т/га) – 0.78 и 0.43% соответственно, а при совместном внесении использование ФАР составляло 0.71%.

Большое накопление поукосно-корневых остатков, отсутствие механической обработки почвы в условиях оптимального увлажнения явилось одной из причин увеличения содержания С_орг в луговой агроэкосистеме даже без внесения удобрений. Среднегодовой прирост С_орг в данных условиях составлял 0.0057% на контроле и 0.0076 и 0.0115% при внесении минеральных и органических удобрений соответственно (табл. 3).

Во всех остальных опытах наблюдалось заметное уменьшение содержания С_орг в контроле, за исключением Курганского НИИСХ [8]. Применение NPK приводило к увеличению С_орг по сравнению с исходным уровнем в 8 опытах, а навоза и его совместного использования с NPK – в 12 опытах из 23 (табл. 4).

В дерново-подзолистых почвах длительных полевых опытов Геосети убыль углерода в контрольном варианте идет наиболее быстро – в среднем теряется около 15% С_орг от исходного уровня. Применение минеральных удобрений уменьшает темпы сокращения содержания почвенного органического углерода, но полностью остановить его не могут. Только органические и органо-минеральные системы удобрения обеспечивают устойчивое равновесие между минерализацией и поступлением углерода в почву (рис. 4).

Проведение известкования на серых лесных почвах (в опыте Владимирского НИИСХ) стабилизирует содержание С_орг практически на исходном уровне (96%), а применение минеральных и органических удобрений способствует увеличению содержание углерода в почве на фоне известкования на 5–8%, при совместном внесении навоза и NPK – на 18% [23]. Изменение первоначального уровня С_орг в черноземах выщелоченных, обыкновенных, типичных под действием удобрений имеет общие тенденции. В целом они обладают большей устойчивостью к дегумификации при длительной 27–67-летней эксплуатации почв без применения удобрений. Так, средняя убыль С_орг за это время, по обобщенным данным, составляет для контрольного варианта 7–13% от первоначального уровня. Внесение минеральных удобрений хоть и уменьшает среднегодовые потери углерода, но полностью их не компенсирует. Только применение навоза и его сочетание с NPK способствует стабилизации содержания почвенного органического вещества в черноземах на исходном уровне [4, 8, 9, 16, 21, 22, 27, 32].

В условиях засушливого климата каштановые почвы являются наименее устойчивыми к дегумификации, теряя в варианте без удобрений 1/3 от первоначального содержания углерода. Только применение органических удобрений способствует сохранению С_орг [33].

В длительных опытах, заложенных на юге Дальнего Востока, отмечается заметное уменьшение содержания углерода с момента закладки опытов (рис. 4). Этому способствует муссонный климат с теплым и в некоторые периоды лета избыточным увлажнением, с холодной малоснежной весной, в результате происходит глубокое промерзание почвенного профиля. При этом органические и органо-минеральные системы удобрений несколько снижают скорость дегумификации. В опытах ВНИИ сои в Амурской области на лугово-черноземовидных почвах количество гумуса уменьшалось быстрее, чем на лугово-бурых почвах Приморского и Хабаровского краев, причем максимальное уменьшение (на 27%) отмечено в варианте с применением минеральных удобрений [27].

Следует отметить, что лугово-черноземовидные и лугово-бурые почвы наряду с каштановыми являются наименее устойчивыми к дегумификации и нуждаются в обязательном применении удобрений, в первую очередь органических.

Для оценки экологического значения органических удобрений, необходимо учитывать количество углерода, накапливаемого в почве, а также эффективность накопления С_орг. После того, как в почве достигнуто устойчивое равновесие, количество С_орг, ежегодно вносимого с органическими удобрениями, поддерживает устойчивый уровень органического вещества и соответствует количеству минерализованного углерода в год [41]. Нами проведена оценка запасов почвенного органического углерода в неудобренной почве и при внесении навоза в дозе ≈10 т/га в год и оценен вклад органических удобрений в накопление С_орг по сравнению с контролем (табл. 4). Как показывают данные, различие в запасах углерода в пахотном слое почвы (0–20 см) между вариантами без удобрений и навоз в среднем для дерново-подзолистых почв составляло 21% (с колебаниями от 0 до 63%), серых лесных – 13%, черноземов – 3% (от –1 до 7%), лугово-бурых почв – 21.5% (21–22%). Наибольшее накопление углерода отмечается при внесении навоза в условиях засушливой степи на каштановой почве – 63%. В целом по всем опытам увеличение запасов углерода при внесении навоза в дозе ≈10 т/га по сравнению с неудобренной почвой составляют 20%. Полученные данные полностью согласуются с данными длительных полевых опытов в Европе [35, 41–43]. В то же время необходимо отметить, что разные типы почв существенно отличаются по исходному содержанию углерода, поэтому одинаковый прирост, выраженный в процентах, может давать большие различия при пересчете в тонны на гектар. По разнице в накоплении С_орг (в т/га, в слое 0–20 см) при внесении органических удобрений по сравнению с контролем почвы можно расположить в следующий убывающий ряд: лугово-бурые (11.8 т/га) > каштановые (8.6) > серые лесные (5.7) > дерново-подзолистые (4.1) > черноземы (1.9 т/га). Такое увеличение запасов С_орг при внесении навоза способствует поддержанию содержания углерода на уровне, близком к исходному, практически во всех анализируемых длительных опытах Геосети. Следует отметить исключительно важное влияние органических удобрений на стабилизацию содержания органического вещества в экстремальных климатических условиях сухостепной зоны на каштановой почве и при муссонном климате на лугово-бурых почвах. Наименьшее различие в накоплении углерода отмечается при внесении навоза на черноземах, что, видимо, объясняется исходно высокими запасами гумуса (до 600–700 т/га), большой устойчивостью почвенного органического вещества, а также несколько меньшими дозами внесения навоза. Кроме того, в черноземной зоне преобладают зернопаропропашные севообороты с сахарной свеклой и кукурузой, что наряду с наличием в них чистого пара способствует усилению минерализации органического вещества навоза по сравнению с опытами, проведенными в других почвенно-климатических условиях.

Согласно обобщениям 21-го длительного стационарного опыта Геосети ВНИИА, за минимальное содержание углерода в почве можно принять его количество в вариантах без удобрений (контроль). Именно в них отмечается наименьшее содержание С_орг, и как следствие минимальная урожайность культур севооборотов. За оптимальное содержание углерода в почве (С_опт) можно принять варианты с наибольшим содержанием С_орг (табл. 2). При этом убыль почвенного органического углерода по сравнению с исходным уровнем должна быть минимальной, с поддержанием устойчивого (квазиравновесного) содержания углерода в почвах [26, 30]. Этим условиям соответствуют в большинстве опытов Геосети варианты с органо-минеральной системой удобрения, где наряду со стабилизацией содержания почвенного органического углерода отмечается наибольшая продуктивность севооборотов. Уровни минимального и оптимального содержания С_орг в почвах можно принять как эталонные для каждого типа почв с учетом применяемой системы удобрения.

Следует отметить, что полученные в длительных опытах величины С_опт несколько меньше существующих градаций по степени гумусированности [20]. В большинстве опытов почвы можно отнести к слабо- и среднегумусированным. Наиболее объективные данные приведены в работах [11, 26], в которых классы учитывают не только тип почвы и гранулометрический состав, но и увязаны с природно-климатическими особенностями регионов Российской Федерации. В то же время значения классов по степени гумусированности не всегда отвечают реальным данным, многие оценки C_min, приведенные в статье [11], являются экспертными. Именно поэтому, на наш взгляд, наиболее объективно оценить изменение степени гумусированности почв возможно только при мониторинге в длительных стационарных полевых опытах на основных типах почв различного гранулометрического состава. При этом следует отметить, что уточнение минимально допустимого, критического, содержания гумуса в почвах возможно в большинстве многолетних стационарных полевых опытах Геосети путем закладки вариантов с бессменным чистым паром. Например, как предлагается в работе [11] на старопахотной почве, находящейся вблизи стационарного опыта, что позволит быстро, через 10–15 лет парования, установить близкий к реальному уровень С_min.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе анализа 21-го длительного стационарного эксперимента, проводимого в рамках Географической сети полевых опытов с удобрениями в России, выявлены следующие географические закономерности эффективности удобрений. В европейской части России продуктивность севооборотов увеличивается с севера на юг в ряду почв: дерново-подзолистые < серые лесные < черноземы (выщелоченные, обыкновенные, южные), при этом наибольшая продуктивность севооборотов обеспечивает органо-минеральная система удобрений. В сухостепных условиях Забайкалья урожайность резко уменьшается, ее наибольшая величина достигается при раздельном внесении органических и минеральных удобрений. На юге Дальнего Востока более продуктивными являются лугово-бурые почвы по сравнению с лугово-черноземовидными. В условиях муссонного климата эффективность органо-минеральных систем удобрения равна минеральной.

В длительных полевых экспериментах отмечались большие различия в содержании С_орг между опытами даже в пределах одного типа почв, которое колебалось в диапазоне 0.5–4.16%. В 18 опытах наибольшая разница между минимальным и максимальным содержанием С_орг наблюдалась между контролем и органо-минеральной системой удобрения, в трех опытах – между контролем и органической системой. Достоверные различия в содержании почвенного органического углерода между вариантами без удобрения и навоз + NPK в четырех опытах были <10 отн. %, в шести – 11–20% и в десяти – >20%.

На дерново-подзолистых, серых лесных и черноземных почвах наибольшая убыль органического вещества отмечалась в контрольном варианте. Минеральные удобрения уменьшали потерю С_орг почвами, но полностью их не компенсировали, за исключением серых лесных почв. Органическая и органо-минеральная системы способствовали стабилизации содержания углерода в почвах. При этом лугово-черноземовидные и лугово-бурые почвы наряду с каштановыми являются наименее устойчивыми к дегумификации и нуждаются в обязательном применении удобрений, в первую очередь органических.

Выявлены уровни минимального (в варианте без удобрений) и оптимального (при совместном внесении органических и минеральных удобрений) содержания С_орг в изучаемых опытах Геосети ВНИИА, которые можно принять как эталонные для каждого типа почв и разновидности по гранулометрическому составу с учетом применяемой системы удобрения.