Почвоведение, 2021, № 2, стр. 240-246

ВВЕДЕНИЕ

Тренды развития сельского хозяйства и требования охраны окружающей среды в настоящее время способствуют широкому внедрению почвосберегающих технологий. Развиваются и совершенствуются способы возделывания культур при минимальной обработке почвы. Одним из наиболее перспективных и распространенных в мировой практике подходов является полный отказ от обработки почвы, когда производится только посев специальной сеялкой с внесением необходимых питательных веществ и средств защиты растений. При этом сев проводится по стерне и мульчирующему слою предшествующей культуры в борозды или ленты [5, 6, 8, 26]. Метод известен под терминами: нулевая обработка почвы, система no-till, прямой посев (ПП) – и позволяет не только получать адекватную продуктивность почвы, но и сохранять, а в некоторых случаях и повышать показатели почвенного плодородия [10, 24].

Если следствием традиционной обработки почвы в интенсивном земледелии из-за ухудшения структурного состояния (в первую очередь разрушения агрономически ценных агрегатов) является потери органического вещества (ОВ) [9, 14], то при использовании системы ПП, когда почва не подвергается механической обработке, вышеописанные негативные явления маловероятны. Кроме того, стерня и отсутствие разрушения сложения почвы способствуют накоплению влаги в поверхностном слое, что уменьшает зависимость урожайности культур от погодных условий, препятствует процессам эрозии [3, 5].

Таким образом, в настоящее время технология ПП является перспективной заменой традиционным системам обработки почвы. При внедрении технологии ПП возникает ряд нерешенных вопросов. В отличие от традиционных систем система ПП изучена слабо. В научной литературе мало данных о процессах структурообразования, динамике ОВ и его качественных характеристик, о местах локализации ОВ в почвах обрабатываемых по этой системе [1, 3].

Например, растительные остатки обладают полифункциональными свойствами, оказывая действие на биологические, химические и физические свойства почвы, а также являются источником элементов питания, служат энергетической основой функционирования микробоценозов, осуществляющих минерализацию и иммобилизацию соединений азота [8]. Постоянное наличие на поверхности почвы слоя мульчи неизбежно будет влиять на трансформацию отмершего растительного вещества. Например, мульчирующий слой уменьшает потери влаги из почвы и понижает температуру поверхностного слоя. Кроме того, отсутствие стимуляции активности почвенных аэробов за счет обработки почвы приводит к меньшей минерализации соединений углерода и азота. С другой стороны, большое количество свежего опада, наоборот может увеличить биологическую активность других групп организмов и способствовать разложению устойчивых органических веществ – “эффект затравки” [8]. Поэтому экспериментальные данные о влиянии технологии ПП на содержание углерода и азота актуальны в настоящее время.

Содержание ОВ в гумусовых горизонтах тесно взаимосвязано со структурным состоянием почвы. ОВ формирует устойчивые агрегаты – основные иерархические единицы структуры на уровне горизонта. Почвенные агрегаты защищают ОВ от разложения и способствуют его сохранению [7, 12, 16, 19, 20, 25–27].

Если в мировой научной литературе содержатся указания, что введение ПП способствует накоплению ОВ и улучшает структурные характеристики [26], то для почв России таких работ очень мало. Вероятно, это связано с недавним внедрением технологии в практику [3]. Особенно остро недостаток данных ощущается для старопахотных черноземов России, на которых в последнее десятилетие активно внедряется ПП [8].

При переходе на ПП в агроценозе убирают обработки, соответственно перестают регулярно разрушаться агрегаты, при этом должны активно реализовываться восстановительные процессы. Для подтверждения этого предположения и понимания механизмов преобразования (восстановления) ОВ на уровне структурных отдельностей перспективно проводить сравнительную оценку содержания ОВ для фракций разного размера. Ранее показано, что распределение агрегатов по размерам зависит от вида землепользования [19]. Резонно предположить, что при смене технологий изменится и распределение агрегатов и, совместно с ним не может не измениться и ОВ в структурных отдельностях. Возможно, что скорость изменения распределения агрегатов и ОВ будет разной.

Известно, что содержание углерода в воздушно-сухих агрегатах (естественного сложения) не зависит от их размера. [17]. Однако, учитывая, что распределение агрегатов по размерам зависит от вида использования почвы [19], а содержание углерода в них – от землепользования [25], следовательно, можно обнаружить связь между размерами агрегатов естественного сложения и содержанием в них углерода.

В связи с этим для понимания процессов структурообразования в агрегатах при переходе на ПП перспективно изучить распределение ОВ по структурным отдельностям. Для изучения распределения ОВ наиболее простой и информативный способ – оценка распределений органического углерода и азота.

Цель работы – оценка особенностей накопления и распределения органического углерода и азота в структурных отдельностях типичных, обыкновенных и южных черноземов при переходе их от традиционной обработки к прямому посеву.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

В работе использовали полевые опыты с ПП длительностью 4, 5 и 12 лет. Отбор образцов проводили в 2017 г.

Образцы типичных черноземов, Haplic Chernozems (Loamic, Aric, Pachic) [11, 23] отобрали на полевом стационаре ФГБНУ “Курский ФАНЦ” (п. Черемушки, Курского района, 51°37′46″ N; 36°15′40″ E). В 2013 г. здесь заложен научно-полевой опыт [21] в четырехпольном зерновом севообороте (озимая пшеница, кукуруза, ячмень и горох). На поле площадью 2.4 га изучали влияние четырех систем обработки (вспашки, комбинированной обработки, минимальной – поверхностной обработки, без обработки – ПП) на делянках размером 60 × 100 м. Отбирали образцы варианта ПП, в качестве контроля к нему использовали вариант со вспашкой.

Образцы чернозема обыкновенного Endocalcic Chernozem (Loamic, Aric, Pachic) [11, 23] отобрали на опытном поле стационара ФГБНУ “Северо-Кавказского ФНАЦ”, расположенного в Шпаковском районе Ставропольского края (45°07′34.9″ N; 42°03′24.0″ E). Полевой опыт площадью 2 га и размером делянок 50 × 18 м направлен на оценку влияния технологии ПП в зоне неустойчивого увлажнения Ставропольского края на агрофизические свойства черноземов обыкновенных и продуктивность полевых культур в севообороте: соя, озимая пшеница, подсолнечник и кукуруза [6]. Опыт заложен в 2012 г. В работе использовали вариант с ПП и контроль к нему (вспашку).

Образцы чернозема южного Calcic Chernozem (Loamic, Aric) [11, 23] были получены на производственных полях территории ООО “Урожайное” (45°09′04.8″ N; 42°03′25.2″ E) Ипатовского района Ставропольского края, где в течение 12 лет успешно используется система ПП [5]. В качестве контроля служили образцы почв рядом расположенного поля, где используют традиционную интенсивную систему обработки. На основе анализа рельефа можно сделать заключение о близости гидрологических, тепловых режимов и общности подстилающей породы.

Отбор образцов осуществляли как описано в [18]. Образцы брали в пяти точках: в центре (где с помощью GPS определяли координаты), и в четырех точках в радиусе 5 м от центра со сдвигом на 90° для каждой точки относительно предыдущей (метод конверта). В качестве образца использовали полный объем, занимаемый почвой примерно 15 × 15 × 25 см, массой около 5 кг, глубина отбора 0–15 см. Такой подход позволяет избежать потерь и искусственного перераспределения размерных фракций агрегатов. Далее образцы высушивали до воздушно-сухого состояния.

Ранее на основе анализа структуры типичных черноземов многолетних опытов показано [19], что достаточно использовать пять размерных классов структурных отдельностей, которые по-разному отзываются на вид использования почв: >10, 10–2, 2–1, 1–0.25 и <0.25 мм. Внутри названных размерных фракций структурные отдельности практически не отличаются друг от друга. Эти классы были выделены сухим просеиванием по методу Саввинова [4] и использованы для определения в них углерода и азота. Все работы выполняли в трех повторностях.

Анализ на содержание общего углерода и азота в структурных отдельностях черноземов проводили методом сухого сжигания в токе кислорода на автоматическом анализаторе Vario Macro CN [22]. Количество органического углерода рассчитывали по разнице между общим углеродом и карбонатным.

Количественное определение карбонатов в образцах почвы проводили по методу Козловского, при положительной реакции на карбонаты: проба с HCl или рН водной вытяжки >7 [13, 15]. В пахотных горизонтах эти соединения были обнаружены только в образцах южных черноземов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Распределение органического углерода в черноземах с применением ПП и контролю к ним показано на рис. 1. В целом в типичных черноземах содержание органического углерода было закономерно больше по сравнению с обыкновенными черноземами, наименьшее отмечено в южных черноземах. Среднее по выборке содержание углерода в типичных черноземах составило 3.8%, обыкновенных – 2.7%, южных – 2.6%.

Рис. 1.

Распределение (максимум, минимум, квартили, среднее и медиана) С_орг (А) и N (Б) в черноземах под ПП и вспашкой; варианты: 1 – типичный чернозем, ПП, 2 – типичный чернозем, вспашка, 3 – обыкновенный чернозем, ПП, 4 – обыкновенный чернозем, вспашка, 5 – южный чернозем, ПП, 6 – южный чернозем, вспашка.

Содержание органического углерода значимо зависело от вида использования черноземов (однофакторный дисперсионный анализ при α = 0.05). В вариантах ПП оно было значимо больше контроля для всех рассматриваемых почв. Так, для типичного чернозема содержание углерода для варианта ПП составило 3.4%, а для контрольного варианта 3.2%, в черноземах типичных 2.72 и 2.59%, а в черноземах южных 2.66 и 2.65% соответственно.

Распределение азота в черноземах с применением ПП и контролю к ним на показано на рис. 1, Б. В целом содержание азота было значимо больше в типичных черноземах (0.26–0.34%), чем в обыкновенных и южных (0.21–0.26%). Между собой два последних подтипа по уровню азота значимо не отличались. Кроме того, однофакторный дисперсионный анализ, проведенный отдельно для каждого подтипа чернозема, в котором фактором была агротехнология (ПП или контроль), не выявил значимых различий в рассматриваемом показателе. Таким образом, в отличие от органического углерода количество азота в агроценозе при введении ПП не изменилось.

Для выяснения особенностей распределения органического углерода и азота между структурными отдельностями в зависимости от размера последних значимость этой взаимосвязи оценивали дисперсионным анализом, если она обнаруживалась, то полученные данные анализировали более подробно.

Содержание углерода или азота в группах рассматривали как зависимую переменную, принадлежность к размерной группе – как фактор для дисперсионного анализа. Показано, что только в одном варианте ПП на обыкновенных черноземах наблюдается значимая (при α = 0.05) зависимость содержания углерода от размера агрегатов. При этом содержание азота значимо (при α = 0.05) зависит от размера структурных отдельностей во всех черноземах, где применяли ПП.

Распределения углерода и азота, которые зависят от размеров структурных отдельностей, приводятся на рис. 2. В обыкновенном черноземе под ПП максимальное содержание углерода было в агрегатах 2–1 и 1–0.25 мм (2.9%), что существенно превышало показатели для других структурных отдельностей этого варианта (2.5–2.6%). В то же время контрольный вариант к этому опыту – аналогичный севооборот с традиционной интенсивной технологией возделывания – не только не демонстрировал отличия в концентрации углерода в структурных отдельностях, но и в целом в его содержание было значимо меньшим. Отсюда следует важный вывод, что технология ПП способствует накоплению углерода в черноземах. Этот процесс идет более интенсивно во фракциях мелких агрегатах 1–0.25 и 2–1 мм. Следует отметить, что подобного не отмечено в опытном варианте ПП на типичных и южных черноземах. В этих вариантах не выявлено зависимости содержания углерода от его принадлежности к размерной фракции структурных отдельностей. Но при этом содержание углерода в этих вариантах было значимо больше, чем в контрольных пахотных образцах. Невыраженность различий в содержании углерода ПП на типичных черноземах, возможно, следует объяснить меньшим временем опыта. в Курской области опыт на момент отбора образцов велся 4 года, а в Ставрополье – 5 лет. Видимо, за это время ПП способствовал дивергенции свойств почвенных агрегатов. Другое возможное объяснение: типичным черноземам, как подтипу, характерно бо́льшее содержание углерода, чем в обыкновенных, возможно, ему требуется больше времени накопления, чтобы различия в агрегатах стали заметны.

Рис. 2.

Распределение органического углерода и азота в структурных отдельностях разных размеров в черноземах под ПП.

В южном черноземе много карбонатов, связанных с кальцием. Вероятно, в этом подтипе почв зависимость трансформации ОВ больше определяется этим элементом, чем размером структурных отдельностей. Это предположение хорошо согласуется с ранее полученными данными [2].

Как уже указывалось, все варианты с ПП демонстрировали статистически значимые различия в содержании азота в структурных отдельностях разных размеров. При этом в контрольных вариантах подобной зависимости не наблюдали. Вероятно, при переходе на ПП, агрегаты престают разрушаться из-за обработки, их размеры сохраняются. В связи с этим внутри агрегатов возникают градиенты биогенных факторов, например, анаэробные микрозоны. Различие условий должно способствовать увеличению разнообразия микробного сообщества в отдельно взятом агрегате, и, как следствие этого, увеличение путей трансформации ОВ. В первую очередь это будет отражаться на различиях в содержании азота в зависимости от размеров фракций.

Вариант ПП в типичном черноземе не демонстрировал зависимости содержания углерода от размера агрегатов. Более того, по содержанию азота он не отличался от контрольного варианта. При этом на фоне низкого варьирования во всех агрегатах содержание азота было значимо больше, чем в глыбах >10 мм и частицах <0.25 мм. Следует отметить тенденцию увеличения содержания азота с ростом размера агрегата. Ничего подобного в контрольном варианте не выявлено. За четыре года внедрение ПП инициировало перераспределению на уровне структуры микробной активности, что выражается в неоднородности педов по содержанию азота и способствует накоплению ОВ (увеличению содержания углерода по сравнению с контролем).

Эти предположения подтверждаются опытом с обыкновенным черноземом, где пики максимумов содержания азота наблюдаются в тех же фракциях, что для углерода (2–1 и 1–0.25 мм). Следовательно, места накопления углерода совпадают с местами локализации азота и, вероятно, биологической активности, направленной на трансформацию ОВ и благоприятствующей его накоплению. Так как содержание азота можно связать с микробной деятельностью, то и расхождения в количестве углерода в агрегатах следует связать с ней.

В южном черноземе наблюдается иная картина: максимум азота отмечен в частицах <0.25 мм, кроме того, есть локальный максимум в агрегатах 2–1 мм. Минимум содержания азота отмечен в глыбистых частицах >10 мм. В противоположность южным черноземам в других рассматриваемых опытах с ПП в частицах <0.25 мм наблюдалось минимальное количество азота. Возможно, это связано с большим сроком применения ПП в южных черноземах. При введении ПП растительные остатки не заделываются в почву, а оставляются в стерне. В связи с этим в первые годы в агроценозах наблюдается дефицит азота, однако со временем система приходит в равновесие, наблюдается накопление азота [8]. Возможно, накопление азота связано с медленным микробным разложением стерни, она переходит в детрит и попадает во фракцию <0.25 мм, что и наблюдается в ПП южного чернозема.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Введение на черноземах в сельскохозяйственную практику ПП способствует значимому увеличению содержания углерода в агроценозе, а также вызывает перераспределение азота в структурных отдельностях в зависимости от их размера.

В типичных черноземах наблюдалось увеличение содержания азота в агрономически ценных агрегатах (0.25–10 мм), в обыкновенных черноземах – во фракциях 2–0.25 мм, а в южных – во фракциях <0.25 и 2–1 мм. Общее содержание азота в почвах под ПП не отличалось от контрольных (пахотных) вариантов.

В обыкновенных черноземах после пяти лет ПП отмечено значимое перераспределение содержания углерода в зависимости от размеров структурных отдельностей, максимумы содержания углерода наблюдались в тех же размерных фракциях, что и азота (2–0.25), что, вероятно, указывает на связанность этих процессов.

Во всех рассмотренных черноземах введение ПП способствовало накоплению ОВ. Полученные данные на примере обыкновенного чернозема демонстрируют, что в некоторых ценозах содержание и свойства ОВ в структурных отдельностях разных размеров может отличаться. Так как во всех ценозах наблюдается накопление углерода, можно предположить, что эти различия объясняются разной скоростью этого процесса в размерных фракциях структурных отдельностей.

Следует заметить, что общее содержание азота в черноземах не отличалось в варианте ПП и пахотном контроле к нему. При этом в ПП всех рассмотренных почв содержание азота зависело от размеров агрегатов. Таким образом, при отсутствии механического разрушения агрегатов азот в них накапливается по-разному. Так как накопление этого элемента связано в первую очередь с биологической активностью, очевидно, она зависит от размеров структурных отдельностей, которые формируют среду обитания для ее носителей, в первую очередь окислительно-восстановительные условия. Изменение биологической активности, в свою очередь, не может не сказаться на трансформации ОВ. Различия в трансформации на уровне агрегатов обусловливают зависимость содержания углерода от размера структурных отдельностей, что отмечено в обыкновенном черноземе, и, вероятно, будет наблюдаться через несколько лет в типичном. По-видимому, сходные взаимосвязи будут при любой агротехнике, не разрушающей агрегаты.

Таким образом, внедрение ПП существенно изменяет режимы накопления и разложения ОВ и биологическую активность в черноземах.