Влияние севооборотов и минеральных удобрений на плодородие каштановой почвы
Сложное органическое вещество гумус является интегральным показателем почвенного плодородия, его содержание тесно коррелирует с урожайностью сельскохозяйственных культур. В почвах Ставропольского края его содержится от 2 до 6–7%, он является основой их плодородия и источником важнейших элементов питания растений.
Значительная роль органических веществ (гумуса) состоит в создании и обеспечении благоприятных физических, физико-химических свойств почвы, их содержание влияет на ее пористость, водоудерживающую и поглотительную способность, тепловые и технологические свойства, буферность и структуру почвы.
По запасам гумуса и питательных веществ почвы региона способны обеспечивать урожаи полевых культур еще многие годы, однако при этом неуклонно снижалось бы их потенциальное плодородие (вплоть до полной деградации). Рост продуктивности возможен только на фоне повышения плодородия почв, поэтому необходимо вносить с удобрениями такое количество элементов, которое бы существенно превышало их вынос с урожаем и обеспечивало расширенное воспроизводство.
В засушливых зонах края при широком распространении зернопаровых севооборотов и высоком насыщении структуры посевных площадей зерновыми культурами (80% и выше) дефицит гумуса на каштановых почвах составляет 800 кг/га и более. Необоснованное применение чистых паров сверх оптимальных размеров увеличивает степень минерализации органического вещества, усиливает эрозионные процессы и снижает эффективность использования пашни.
Цель исследований — изучить влияние насыщения зерновых севооборотов чистым паром на различных фонах питания на плодородие каштановой почвы в засушливых условиях Ставрополья.
Материалы и методы исследования
Исследования проводились в 1969–2022 гг. на Прикумской опытно-селекционной станции, которая является филиалом ФГБНУ «Северо-Кавказский федеральный научный аграрный центр». Почва опытного участка — каштановая среднесуглинистая, карбонатная. Содержание гумуса в пахотном слое почвы до закладки опыта — от 1,45 до 1,62% (по Тюрину, ГОСТ 26213-91). Общего азота содержалось от 0,13 до 0,14% (по Грандваль-Ляжу), подвижного фосфора — от 13,8 до 15,0 мг/кг, обменного калия — 265–295 мг/кг (по Мачигину, ГОСТ 26205-91). Плотность почвы составляла 1,32 г/см3, рН солевой вытяжки — 7,0–7,1. В полуметровом слое почвы карбонатов — 7,14%.
Технология возделывания полевых культур — общепринятая для засушливой зоны. Районированные сорта культур возделывали на удобренном и неудобренном фоне. Минеральные удобрения вносили под предпосевную культивацию. Расположение делянок — последовательное. Повторность опыта — четырехкратная. Общая площадь делянки — 448,5 м2, учетная — 210 м2. С 1969 года опыт с шестипольными зерновыми севооборотами развертывался одним полем, а с 1976-го — всеми полями во времени и пространстве (табл.1).
Климат — среднеконтинентальный со среднегодовым количеством осадков 427 мм, температурой воздуха 11,25 оС и суммой активных температур 3839 оС. За последние 30 лет (1991–2020 гг.) по сравнению с предыдущим 30-летием (1961–1990 гг.) среднегодовая температура воздуха увеличилась на 0,82 оС, сумма активных температур — на 202 оС, годовых осадков — на 25 мм. Основной прирост осадков приходится на январь — май и сентябрь — октябрь, что благоприятно для возделывания озимой пшеницы как главной зерновой культуры региона. Весь вегетационный период (с апреля по октябрь) является очень засушливым (ГТК = 0,68), но наиболее засушлив летне-осенний период (с июля по октябрь) (ГТК = 0,54). Весенне-летний отрезок вегетации (с апреля по июнь) характеризуется как устойчиво влажный (ГТК = 0,92). Агрохимические исследования проводились с начала закладки опыта по настоящее время. Почвенные образцы отбирались в июне — по окончании восьмой ротации севооборотов (2017–2022 гг.). Статистическая обработка данных проводилась по Б.А. Доспехову, используя программу AgCStat для Excel.
Результаты и обсуждение
Проведенные более чем за 50 лет исследования показали, что на естественном фоне в вариантах с различным насыщением чистым паром исходное содержание и запасы гумуса в слое каштановой почвы 0–20 см достоверно снизились за это время на 0,18–0,22% и 4,7–5,8 т/га. В зернопропашном севообороте без чистого пара наблюдалась тенденция увеличения этих показателей на 0,05% и 1,3 т/га (без математического подтверждения).
На удобренном фоне наблюдалась аналогичная ситуация по гумусу. Однако внесение минеральных удобрений в различных дозах снижало темпы падения содержания гумуса в севооборотах с чистым паром на 0,10–0,15%, а его запасов — на 2,7–4,0 т/га, делая незначимыми различия между исходными данными и данными за восьмую ротацию севооборотов. В севообороте без чистого пара содержание и запасы гумуса достоверно увеличивались на 0,16% и 4,2 т/га по сравнению с контролем. Статистически значимые различия между удобренным фоном и контролем наблюдались в первом севообороте с максимальным насыщением чистым паром и в зернопропашном севообороте без чистого пара (табл. 2).
На контроле минерализация органического вещества происходила значительно интенсивнее, чем на вариантах с внесением удобрений, и повышалась с увеличением количества чистых паров в севообороте. В зернопропашном севообороте с занятым эспарцетовым паром на зеленый корм запасы гумуса на естественном фоне не только не снижались, но на удобренном фоне достоверно повышались. Возделываемый под покровом ярового ячменя эспарцет скашивался на второй год вегетации в фазу максимального вегетативного развития (цветения), оставляя после себя большое количество корневых и растительных остатков. Благодаря благоприятным климатическим изменениям сбор зеленой массы эспарцета после 2000 г. (по сравнению с первыми годами закладки опыта) увеличился в 2,8 раза — с 9,1 до 25,5 т/га.
Таким образом, по сравнению с контролем применение минеральных удобрений в зерновых севооборотах с чистым паром способствовало снижению потерь органического вещества при минерализации гумуса, а возделывание многолетних бобовых культур (эспарцета) в зернопропашном севообороте без чистого пара сохраняло положительный баланс гумуса на естественном фоне и достоверно повышало на удобренном варианте.
Азот почв представлен в основном органическими соединениями (99%), в составе которых 65–80% занимают негидролизуемые и 5–10% трудногидролизуемые фракции. Валовое содержание азота в каштановых почвах в два-три раза ниже (0,12–0,16% и 3,2–3,9 т/га), чем в черноземах (0,36–0,45% и 7,9–9,0 т/га). К тому же он малодоступен для усвоения растениями, что визуально видно рано весной на посевах озимых зерновых. Поэтому внесение на таких посевах азотных удобрений в виде подкормок очень эффективно. Доступными эти соединения становятся лишь после их минерализации. Минеральный азот в почвах представлен в основном N-NО3 и N-NН4.
Последнее определение нитратного азота показало, что его содержание и запасы математически значимо снизились в первом севообороте на контроле на 3,0 кг/га и 7,6 кг/га, а на удобренном фоне — на 1,4 мг/кг и 3,5 кг/га (по сравнению с исходными данными). В третьем севообороте с 16,6% чистого пара и в севообороте без чистого пара запасы нитратного азота достоверно повышались на всех фонах питания, а во втором севообороте с 33,3% чистого пара они изменялись незначительно. На всех фонах питания максимальное содержание этого элемента отмечалось в четвертом севообороте без чистого пара. По мере увеличения количества чистых паров запасы азота уменьшались на естественном фоне в первом севообороте на 14,0 кг/га, во втором — на 7,7 кг/га, в третьем — на 1,3 кг/га, а на удобренном фоне, соответственно, на 12,7 кг/га, 7,2 кг/га и 4,9 кг/га (по сравнению с зернопропашным севооборотом). Применение минеральных удобрений снижало потери азота в севооборотах с 50,0% и 33,3% чистого пара на 1,3–1,6 мг/кг и 3,3 кг/га и 4,1 кг/га и увеличивало его содержание в севообороте без чистого пара на 1,3 мг/кг и 2,8 кг/га (по сравнению с контролем). Существенная разница между фонами питания по запасам нитратного азота отмечалась только в первом севообороте (табл. 3).
Каштановые почвы занимают почти половину сельскохозяйственных земель края. Хорошие запасы валового фосфора в этих почвах представлены в основном труднорастворимыми минеральными солями железа, кальция и алюминия. Для перевода этих солей в доступные формы необходим фермент фосфатаза, который выделяют почвенные микроорганизмы в процессе своей деятельности, или минерализация органического вещества в виде гумуса. Но эти почвы плохо обеспечены подвижным фосфором.
Перед закладкой опыта его содержание в пахотном слое почвы по Мачигину не превышало 16,6 мг/кг абсолютно сухой почвы. По окончании восьмой ротации севооборотов содержание и запасы подвижного фосфора на контроле достоверно повышались в первом и четвертом севооборотах, а на удобренном фоне — во всех вариантах опыта. Внесение фосфорных и азотно-фосфорных удобрений в разных дозах увеличивало содержание и запасы подвижного фосфора в зернопропашном севообороте на 5,4 мг/кг и 13,6 кг/га, а в зернопаровых севооборотах — на 7,3–17,5 мг/кг и 18,6–44,6 кг/га. Причем чем выше насыщение севооборотов чистым паром, тем больше содержалось и накапливалось фосфора на удобренных вариантах. По сравнению с контролем внесение минеральных удобрений способствовало повышению запасов фосфора: в первом севообороте — на 91,6%, во втором — на 67,6%, в третьем – на 46,2%, в четвертом — на 34,7%. Достоверное различие между фонами питания наблюдалось на всех изучаемых севооборотах (табл. 4).
Калий — один из трех основных элементов, необходимых для жизнедеятельности растений. Его валовое содержание в пахотном слое каштановой почвы составляет 2,0–2,1%, а запасы — 54,1 т/га, что значительно превышает содержание азота и фосфора. Калий находится в почве в основном в составе первичных и вторичных минералов, таких как полевой шпат, слюда, иллит, вермикулит и др. Для каштановых почв (вследствие более молодого их возраста по сравнению с черноземами) характерна более высокая степень подвижного калия.
Возможность этого элемента переходить из необменного в обменное состояние хорошо протекает в чистых парах. Подвижными формами калия обогащают почву растительные остатки зерновых, кормовых культур и многолетних бобовых трав, причем в вегетативной части его содержится в два раза больше, чем в зерне. Растворимые соли этого элемента являются хорошим источником питания растений. При такой высокой обеспеченности почв калием внесение калийных удобрений было малоэффективным, поэтому они в опыте и не вносились.
По сравнению с исходными данными содержание и запасы обменного калия в слое почвы 0–20 см достоверно увеличились на контроле на 31–62 мг/кг и 79–158 кг/га, а на удобренном фоне — на 12–38 мг/кг и 31–97 кг/га. В зернопаровых севооборотах с увеличением количества чистого пара запасы калия повышались на удобренном варианте с 31 кг/га до 95 кг/га, а на естественном фоне — с 79 кг/га до 158 кг/га. Внесение минеральных удобрений способствовало уменьшению содержания и запасов калия в севооборотах с чистым паром, соответственно, на 12–24 мг/кг и 31–63 кг/га, а в севообороте без чистого пара — на 8 мг/кг и 20 кг/га (по сравнению с контролем). Минимальное снижение калия на удобренном фоне наблюдалось в зернопропашном севообороте, а максимальное — при 50%-ном насыщении севооборотов чистым паром. То есть улучшение условий питания способствовало увеличению расхода этого элемента и большего его выноса с более высоким урожаем. Значимость различий между удобренным фоном и контролем отмечалось в первом и третьем севооборотах (табл. 5).
Выводы
Результаты исследований в длительном стационарном опыте в засушливой зоне свидетельствуют о том, что баланс гумуса в пахотном слое каштановой почвы в севооборотах с чистым паром отрицательный, а в зернопропашном севообороте без чистого пара — положительный и зависел от состава возделываемых культур, количества чистого пара в севообороте и условий минерального питания. Темпы минерализации органическогого вещества на естественном фоне были значительно выше, чем в удобренных вариантах.
Положительный баланс фосфора и калия наблюдался во всех вариантах опыта и фонах питания, азота — на контроле только в севооборотах без чистого пара и с 16,6% чистого пара, а на удобренном фоне — во всех вариантах, кроме первого севооборота с максимальным насыщением чистым паром (50%). Внесение фосфорных и азотно-фосфорных удобрений в разных дозах способствовало увеличению содержания и запасов подвижного фосфора, уменьшению обменного калия и неоднозначно влияло на нитратный азот.
Об авторах
Николай Александрович Морозов, кандидат сельскохозяйственных наук, директор, Прикумская опытно-селекционная станция, филиал «Северо-Кавказский федеральный научный аграрный центр», ул. Вавилова, 4, Буденновск, Ставропольский край, 356803, Россия
fgupposs@mail.ru
Нина Артёмовна Ходжаева, старший научный сотрудник отдела земледелия и агроэкологии, Прикумская опытно-селекционная станция, филиал «Северо-Кавказский федеральный научный аграрный центр», ул. Вавилова, 4, Буденновск, Ставропольский край, 356803, Россия
fgupposs@mail.ru
Иванна Владимировна Прохорова, младший научный сотрудник отдела земледелия и агроэкологии, Прикумская опытно-селекционная станция, филиал «Северо-Кавказский федеральный научный аграрный центр»,
ул. Вавилова, 4, Буденновск, Ставропольский край, 356803, Россия
fgupposs@mail.ru
Александр Иванович Хрипунов, кандидат сельскохозяйственных наук, заведующий лабораторией агроландшафтов, Северо-Кавказский федеральный научный аграрный центр, ул. Никонова, 49, Михайловск, Ставропольский край, 356241, Россия
hripunov1955@yandex.ru; https:orcid.org/0000-0003-4024-0458
Елена Николаевна Общия, старший научный сотрудник лаборатории агроландшафтов, Северо-Кавказский федеральный научный аграрный центр,
ул. Никонова, 49, Михайловск, Ставропольский край, 356241, Россия
obzia@mail.ru; https:orcid.org/0000-0001-5173-9057
УДК 631.5:631.445.51/.45 DOI: 10.32634/0869-8155-2023-372-7-69-73
Сельское хозяйство, ветеринария, зоотехния, агрономия, агроинженерия, пищевые технологии
