Агроэкологические особенности оптимизации содержания гумуса

Постановка проблемы. Важнейшим резервом уменьшения потерь гумуса и оптимизации всего гумусного состояния почв в агроландшафтах есть усовершенствование существующих и разработка новых приемов и систем обработки почвы. Этим условиям во многом соответствует безотвальная обработка почвы с использованием плоскорежущих орудий.

Анализ публикаций. В настоящее время в научной литературе нет единого мнения о качественных и количественных показателях процессов гумификации растительных остатков в связи с разной глубиной их заделки в почву. Считается, что локализация свежего органического вещества в верхней части обрабатываемого слоя [1], то есть в условиях резко выраженного аэробного разложения, является негативным моментом для гумусообразования. Наряду с этим, ряд исследователей утверждают, что лучшие условия для создания гумуса достигаются, если разложение растительных остатков происходит в поверхностном слое почвы. По опубликованным данным [2], при разложении одинакового количества растительного материала в верхней части пахотного слоя создается значительно больше гуминовых кислот, нежели в ниже лежащих. При этом в почве не наблюдается накопления вредных для растений продуктов. При безотвальном рыхлением коэффициент гумификации более высок в сравнении с вариантом вспашки [3]. Подобные результаты получены и другими авторами [4]. В последнее время актуализировались и проблемы внедрения биоземледелия и бионических подходов к сохранению гумуса почвы.

Но по-прежнему нерешённой проблемой остаётся поддержание содержания гумуса почвы на постоянном уровне. А ведь в условиях интенсификации сельскохозяйственного производства рост урожайности выращиваемых культур должен сопровождаться повышением плодородия почв. Растения, обеспечивая бесперебойное поступление органического вещества в почву, способствуют образованию в ней гумуса. Среди культур, которые могут положительно влиять на плодородие почвы, ведущее место занимают многолетние травы, под действием которых отмечается стабилизация и повышение гумуса в почве.

Целью статьи является рассмотрение исследований приводящих к снижению потерь гумуса почвы в результате рационального применения в первую очередь агротехнических мероприятий, в том числе в их бионическом варианте.

Методика и объекты исследования. Основные полевые эксперименты и исследования проводились в совхозе «Ударник» Лутугинского района. Опыты по изучению совместного воздействия почвозащитных технологий выращивания сельскохозяйственных культур и удобрений проводились в 1990;2000 годах в совхозе «Ударник» Лутугинского района Луганской области. Эти опыты должны были ответить на ряд вопросов, в том числе: установить комплексные приемы оптимального применения удобрений, которые обеспечивают возможность управления качеством основных сельскохозяйственных культур при их высокой продуктивности. Изучить закономерности трансформации органического вещества в эродированных почвах; выявить приемы и условия создания бездефицитного баланса гумуса как основы плодородия и продуктивности почв. Разработать экономически обоснованные и экологически безопасные регламенты применения удобрений в севооборотах различного направления при почвозащитной технологии выращивания сельскохозяйственных культур; установить взаимосвязь между содержанием нитратов в почве и накоплением их в растениях при различных уровнях применения азотных удобрений. Изучить приемы оптимизации азотного и фосфорного питания растений.

Опыты закладывались по следующим схемам.

Опыт «Разработать способы эффективного применения удобрений в полевом севообороте на фоне противоэрозионной обработки почвы» был заложен в 1973 году кандидатами сельскохозяйственных наук Ю. И. Усатенко и П. Г. Лапко на выровненной площадке межблочного водораздела крутизной 1. С 1984 г исследования проводились совместно с М. В. Орешкиным. Почва — чернозем обыкновенный, слабо эродированный, тяжелосуглинтый на лессовидном суглинке. Основные агрохимические показатели на время закладки опыта были: содержание гумуса в пахотном слое 4,7%, валовых форм азота и фосфора соответственно 0,23% и 0,12%, реакция почвенного раствора 7,7−7,3 рН водн. За период ведения, опыт был дважды реконструирован с целью дальнейшего усовершенствования приемов оптимизации питательного режима эродированных почв и технологии применения удобрений в полевых севооборотах. Агрохимическая схема опыта включает 10 вариантов: 1).Контроль (без удобрений); 2).N80 P60; 3).N80 K40; 4).P60 K40; 5).N80 P60 K40; 6).N40 P30 K20; 7).N120 P90 K60; 8).N80 P30 K20; 9).N120 P30 K40; 10). N52 P42 K28 — в расчете на 1 га севооборотной площади в среднем за ротацию севооборота. Суммарное внесение минеральных удобрений за ротацию севооборота таково: 1).Контроль (без удобрений); 2).N720 P540; 3).N720 К360; 4).P540 K360; 5).N720 P540 K360; 6).N360 P270 K180; 7).N1080 P810 K540; 8).N720 P360 K180; 9).N1080 P270 K360; 10). N468 P378 K252. Базовыми вариантами являлись NPK-I — N40 P30 K20; NPK-II — N80 P60 K40; NPK-III — N120 P30 K40. Действия минеральных удобрений изучалось на двух фонах — без органических удобрений и на фоне 9 т навоза на 1 га севооборотной площади. Влияние удобрений на основные агропроизводственные свойства почвы и урожай сельскохозяйственных культур изучался на фоне двух систем обработки почвы — общепринятой для региона исследований, основанной на отвальной вспашке и почвозащитной, что базируется на применении орудий плоскорежущего типа, применение которых на 2000 год составляло в опыте 27 лет. Исследования проводились в типовом для юго-востока Украины 9-ти польном севообороте с таким чередованием культур: чёрный пар — озимая пшеница — кукуруза на зерно — ячмень — горох — озимая пшеница — кукуруза на силос — озимая пшеница — подсолнечник. Органические удобрения по 40,5 т/га навоза вносили под кукурузу на зерно и силос с помощью навозоразбрасывателя под основную обработку почвы, всего 81 т/га.

В пространстве опыт размещался на пяти полях и был заложен методом расщепленных делянок в трехкратной повторности. Площадь делянок первого порядка (обработка почвы) — 2540 м² (98×30м), второго порядка (минеральные удобрения) — 90 м² (15×6м), третьего порядка (органические удобрения) — 90 м² (15×6м), учетная площадь — 40 м² (10×4м). Сорта культур севооборота: горох — Надёжный, озимая пшеница — Одесская 51, кукуруза — гибрид Росс 207, подсолнечник — Донской 60, яровой ячмень — Донской 12.

Исследования производились на территории Донецкого кряжа и его отрогов (рис. 1) до 2007 года включительно. В том числе совместно с профессором Н. А. Зеленским на территории Ростовской области в Октябрьском районе, где изучались возможности пролонгированного кулисного пара.

Научные исследования и практика сельскохозяйственного производства показывают, что одним из наиболее важных антропоге Результаты).

Рис. 1. Орографическая схема Ростовской области (особо выделен Донецкий кряж, располагающийся на территории Украины — Луганская область — и его отроги в Ростовской области — Россия): 1- Калачская возвышенность, 2- Донская гряда, 3- Донецький кряж, 4- Сало-Маныческая гряда, 5- Ергенинская возвышенность, 7- река Кагальник, 8- Весёловское водохранилище, 9- Пролетарское водохранилище, 10- река Кундрючья, 11-река Тузлов

Именно поэтому важнейшим резервом уменьшения потерь гумуса и оптимизации всего гумусного состояния почв в агроландшафтах есть усовершенствование существующих и разработка новых приемов и систем обработки почвы. Характерной особенностью безотвальной обработки является то, что при ее проведении пожнивные остатки выращиваемых культур, которые являются основным источником гумусообразования в окультуренных почвах, остаются на поверхности почвы, либо в самом верхнем слое, тогда как при вспашке они распределяются по всей глубине пахотного слоя или заделываются на дно борозды.

гумусообразование полевой эродированный почва.

Рис. 2. Содержание гумуса в черноземе обыкновенном среднеэродированном при различных способах использования, % (ось Y), (n = 20, t05 = 2,09 и t факт.= 2,24; 2,07; 1,04 — послойно)

Так исследования в полевом опыте показали, что после проведения плоскорезной обработки на поверхности поля остается более 60% стерни озимой пшеницы, которая попадает в почву только после весенней культивации.

Данные по распределению корневой системы озимой пшеницы в полуметровом слое почвы свидетельствует о том, что на делянках с противоэрозионными видами обработок в слое 0 — 10 см сосредотачивается 58,5% корневой массы, в то время как на вспашке только 47,3%. В слое 10 — 20 см и 20 — 30 см больше корневой было на вариантах со вспашкой — соответственно 26,4 и 14,8 против 18,9 и 9,8 по плоскорезной обработке. И только на глубине 30−40 и 40−50 см количество корней озимой пшеницы на обоих вариантах было одинаковым (рис. 3).

Рис. 3. Корневая масса озимой пшеницы по черному пару при разных системах основной обработки почвы (ось Х — слои почвы; ось Y — численные значения; в слое 0−50 см по общепринятой обработке 18,2 ц/га, по плоскорезной — 16,4 ц/га)

Учитывая повышенное содержание растительных остатков в поверхностном слое почвы при обработке ее орудиями с плоскорежущими рабочими органами, логично допустить, что это в полной мере будет влиять на режим органических веществ в почвенной толщи в сравнении с отвальной вспашкой. В следующем опыте, где исследования проводились с 1994 по 2000 годы, установлено в результате изучения режима органических веществ в почве, что количество растительных остатков в виде корней было большим на 5,7- 20,3% на вариантах с применением удобрений по сравнению с вариантами с неудобренным фоном. В них так же было отмечено большее количество основных макроэлементов. Результаты этих исследований дают возможность по-новому оценить возможности безотвальной обработки в регулировании режима органических веществ почвы. Так известно, что гумусообразование является неотъемлемой частью почвообразовательного процесса и развивается исключительно в почвенной толщи, поэтому обязательным условием гумификации растительных остатков есть их заделка и тщательное перемешивание с почвой. Более 40% их заделывается в пахотный слой уже в период осеннего цикла работ. Остатки находятся на поверхности поля в зимний период, когда деятельность микроорганизмов угнетена и процессы разложения идут чрезвычайно медленно. В течении зимы минерализуется около 20% стерни, хотя эти данные следует считать завышенными, так как весной удается учесть только те остатки, которые хорошо сохранились. Та часть стерни, которая находится в полуразложившемся состоянии, как правило, не учитывается. Эти остатки легко заделываются в почву при проходах почвообрабатывающих орудий в период весенних полевых работ совместно с 20 — 25% неразложившихся растительных остатков. Таким образом, при проведении противоэрозионной обработки почвы практически вся стерня попадает в почву. Результаты определения валового гумуса в почве полевого опыта на постоянно закрепленных делянках свидетельствует о том, что систематическое применение в течении 20 лет плоскорезной обработки на слабоэродированном черноземе привело к накоплению гумуса в верхнем слое 0−10 см в сравнении со вспашкой (табл. 1). В целом обеспеченность валовым гумусом как пахотного, так и полуметрового слоя почвы при общепринятых технологиях его обработки незначительно отличалась перед вариантами с почвозащитными обработками.

Таблица 1. Влияние различных систем обработки почвы на содержание гумуса, % (1993 г.).

Интенсивное использование чернозема обыкновенного слабоэродированного в зернопаропропашном севообороте с 15% черного пара и 35% пропашных культур без применения минеральных и органических удобрений за 20-летний период привело к снижению содержания гумуса в полуметровом слое на 0,24% при плоскорезной обработке, что в относительном выражении соответствует 7,1 и 5,8%. Причем, уменьшение содержания гумуса по обоим фонам отмечалось исключительно в пахотном слое и практически не проявлялось в подпахотных горизонтах. Более заметных изменений за период исследований достигли валовые запасы гумуса, рассчитанные с учетом объемной массы почвы, которая на противоэрозионном фоне в среднем для полуметрового почвенного слоя на 0,03г/см3 выше, нежели на общепринятом. Рассмотренные данные свидетельствуют о том, что выращивание сельскохозяйственных культур в полевом севообороте без применения минеральных и органических удобрений сопровождается явно выраженным перевесом процессов минерализации органического вещества над гумификацией. При этом процесс потери гумуса в зависимости от систем обработки происходит с разной интенсивностью. В целом за 20-летний период ведения опыта утраты гумуса в полуметровом слое чернозема обыкновенного слабоэродированного составили 16,0 т/га или 6,7% на вариантах с общепринятой обработкой и 9,3т/га или 3,9% - на почвозащитных обработках. При этом ежегодная потеря гумуса в среднем составляла 0,8 т/га по фону отвальной вспашки и 0,5 т/га на делянках с плоскорезной обработкой или на 38% меньше. Результаты наших исследований свидетельствуют о том, если на вариантах с отвальной вспашкой наблюдается равномерное распределение свободных гуминовых кислот в полуметровом слое с постепенным уменьшением вниз по профилю, то на делянках с систематическим безотвальным рыхлением они в большей мере локализованы в верхнем слое 0 — 10 см.

Таблица 2. Содержание негумифицированных органических остатков в почве (Сорг — Сгум) при различных системах обработки, %.

Полученные результаты показывают (табл. 2), что количество негумифицированных органических остатков в пахотном слое, систематично обрабатываемом орудиями с плоскорежущими органами, достоверно выше в сравнении с отвальной вспашкой.

Весьма эффективным является для повышения и сохранения плодородия почвы способ создания пролонгированного кулисного пара, который включает посев растений в виде полос перпендикулярно вектору стока (Патент РФ 2 260 929) [5]. Помимо этого, в качестве растений для создания кулис используются многолетние бобовые травы, высеваемые под покров ярового ячменя, а озимую пшеницу высевают по кулисному пару под углом 90о, или 75о, или, 45о, или 35о к кулисам из бобовых трав. На рисунках 4 и 5 представлены схемы осуществления способа. Целью же способа является использование кулис в течение нескольких сельскохозяйственных лет до их изреживания на 50 — 60%, получение дополнительного урожая семян бобовых трав и предотвращение в течение всего сельскохозяйственного года эрозии и дефляции на склоновых и равнинных землях соответственно. Так в 1998;2007 годах в южной части Ростовской области и в северной части Краснодарского края на склоновых землях высевались перпендикулярно вектору стока под покров ячменя люцерна (1) с междурядьями 70 см овощной сеялкой.

После уборки ячменя остаётся стерня и люцерна уходит в зиму. Весной производится боронование поперёк посевов, люцерна отрастает, обозначаются её рядки и производится культивация междурядий пропашным культиватором 2 — 4 раза до смыкания люцерны, когда растения достигают высоты 50 — 80 см.

Рис. 4. Способ создания пролонгированного кулисного пара: 1 — растения люцерны; 2 — валки

Затем она цветёт, созреваю её бобы и производиться её скашивание поперёк рядков на семена. Обмолот семян производится комбайном с измельчителем, то есть производится мульчирование почвы. После уборки люцерны, когда получим от 150 до 300 кг/га семян люцерны, производится культивация междурядий. В результате культиваций в рядках люцерны образуются вытянутые во весь рядок перпендикулярно вектору стока холмики (4). Затем, перед посевом озимой пшеницы, производится боронование кулисного пара зубовыми боронами поперёк рядков (3) люцерны 3 — 4 раза и производится выравнивание поля.

Затем, перед посевом, производится предпосевная культивация пропашными культиваторами на глубину заделки семян — 6−8 см. При этих мероприятиях теряется до 30% люцерны, однако это не влияет на поставленную задачу, так как травостой затем интенсивно восстанавливается. При достаточном увлажнении люцерна может отавировать, в этом случае производится второй укос с применением КИР-1,5 и разбрасываются растительные остатки по полю в виде мульчи, то есть производится мульчирующая обработка почвы.

Рис. 5. Способ создания пролонгированного кулисного пара: 1 — растения люцерны в рядках; 2 — вытянутые вдоль рядков холмики; 3 — вектор стока

Сев озимой пшеницы производится зерновой сеялкой с дисковыми сошниками полной нормой высева поперёк рядков люцерны. Люцерна подымается в рядках в посевах озимой пшеницы на 30−40 см и уходит в зиму. Люцерновые кулисы задерживают снег, равномерно распределяя его по поверхности поля, утепляя тем самым озимую пшеницу, та в результате этого, лучше перезимовывает. Всё это способствует накоплению большего количества влаги в почве и защите её от эрозии и дефляции. Весной производится боронование и вычёсывание отмёрших растений. Озимая пшеница трогается в росте быстрее, чем люцерна и угнетает последнюю. При необходимости в фазу кущения озимой пшеницы поле обрабатывается гербицидом 2,4-Д из расчёта 1 кг/га по д.в. и тем самым достигается временное угнетение люцерны, отдавая текущий приоритет развитию растений озимой пшеницы и возможности использования питательных веществ и влаги, накопленных в люцерновых кулисах, озимой пшенице. В период осветления озимой пшеницы люцерна начинает усилено развиваться и выходит во второй ярус. Уборка осуществляется раздельно. Люцерна же остаётся для последующей вегетации и формирования урожая семян, который будет получен в этом же году — в августе — сентябре. Таким образом, получается полноценный урожай зерна озимой пшеницы, качество которого по содержанию белка на 1,5−2% и качеству клейковина на 4−5% выше, чем при традиционном возделывании. Получаемая солома фактически имеет свойства высококачественного сена и охотно поедается скотом. Дополнительно к зерну озимой пшеницы получается 50 — 60 кг/га семян люцерны. Экономия азотных удобрений составляет 40−60 кг/га по д.в. Предотвращается смыв почвы на склоновых землях от 1,2 до 20,0 т/га и предотвращается дефляция, поскольку почва в течение всего года защищена от воздействия эродирующих факторов. Коэффициент энергетической эффективности составляет 3,8−5,6 единиц, или возрастает в 1,7−2,8 раза.

Развитием рассмотренного подхода является способ повышения содержания и накопления доступного азота в агроценозах. Он включает в себя совместный, осенний, посев озимых колосовых и бобовых культур, при чём с целью создания оптимальных условий для быстрого высвобождения органических форм азота из соломы, пожнивных и корневых остатков, переводя его в формы доступные сельскохозяйственным растениям и накопления его в почве. Одновременно высевается озимая пшеница с нормой высева, рекомендованной для данной зоны, и озимая вика с нормой высева семян в соотношении с нормой высева семян озимой пшеницы 0,48−0,54. Если вместо озимой пшеницы используется озимый ячмень, то норма высева озимой вики к норме высева озимого ячменя будет иметь соотношение как 0,44−0,50. Если как озимая культура высевается тритикале, то соотношение норм высева озимой вики к норме высева тритикале будет 0,4−0,48. При использовании озимой ржи соотношение норм высева озимой вики к норме высева озимой ржи будет колебаться от 0,42−0,52. Посев озимой пшеницы и вики осуществляется следующим образом. Вначале производится смешивание семян двух культур. Далее эта смесь после предварительного протравливания высевается зерновой сеялкой СЗ-3,6. Данные исследований за 2000 — 2002 годы показали следующее (рис. 6).

Рис. 6. Урожайность озимой пшеницы и озимой вики в совместных и моно посевах, ц/га. По оси Х — 1 — 2000 г., 2 — 2001 г., 3 — 2002 г.; по оси Y — урожайность; легенда — ряд 1 — озимая пшеница + озимая вика; ряд — 2 — озимая пшеница; ряд 3 — озимая вика

Исходя из приведённых данных видно, что совместный посев культур положительно сказался на их урожайности в совместных посевах. Тем самым достигается формирование агроценозов, близких по своим качественным параметрам к биоценозам естественных популяций. При этом следует отметить, что соотношение зерна вики к общему урожаю зерна в совместном посеве составляет 20−25%, а зерно озимой пшеницы — 80−85%. При совместном выращивании озимой пшеницы и вики происходит фиксирование и перераспределение азота в пользу озимой пшеницы в размере 60−80 кг/га посевной площади. Это приводит к экономии азотных удобрений, уменьшению энергоёмкости производственного процесса в силу меньшего применения наиболее дорогостоящей составляющей технологии выращивания сельскохозяйственных культур — минеральных туков.

Уборка обеих культур, высеянных совместно, производится раздельным способом. То есть сначала посевы скашиваются на свал, причём срок уборки определяется по степени готовности к ней зерна озимой зерновой культуры, а затем производится обмолот либо с помощью комбайна, либо на стационарном пункте обмолота, что значительно сокращает потери зерна обеих культур.

В случае же использования вики как «стартовой» культуры, отдающей свой азот своему приемнику, в фазу кущения озимых колосовых производится обработка посевов гербицидом 2,4-Д с типовой нормой расхода по д.в.

В этом случае, а также в случае утилизации соломы, пожнивных остатков и корневых остатков на совместных посевах озимой пшеницы и озимой вики (так же как и на посевах озимых ячменя, ржи и тритикале), происходит быстрое высвобождение и перераспределение азота за счёт того, что достигается оптимальное соотношение между углеродом и азотом. Так если на посевах озимой пшеницы имеется соотношение углерода к азоту как 1: 60 — 70, то при совместных посевах с озимой пшеницей озимой вики это соотношение принимает оптимизированное значение — 1: 30 — 40. Тоже наблюдается и при посеве озимой вики с другими озимыми колосовыми. Это позволяет процессам высвобождения и перераспределения азота происходить быстрее и без лишних потерь. Одновременно улучшается процесс гумификации и сохранения плодородия почвы. В случае выращивания озимого ячменя, тритикале или ржи на зерно совместно с озимой викой, технология возделывания остаётся такой же, как и при возделывании озимой пшеницы и вики.

Если же перечисленные культуры выращиваются на зелёный корм или для получения соломы, то получается ценный корм для животных. Так в соломе вики содержится до 2% азота, а солома озимого ячменя + вики, тритикале + вики, озимой ржи + вики по своим кормовым достоинствам приближается к сену естественных травостоев. Таким образом, достигается повышен и накопление доступного азота, а в агроценозах на 60 — 80 кг/га посевной площади, увеличивается на 4 — 7 ц/га урожайность озимой пшеницы, на 5 — 6 ц/га озимого ячменя, на 3 — 4 ц/га тритикале, на 2 — 3 ц/га озимой ржи. Качество соломы в совместных посевах возрастает в перерасчёте на кормовые единицы на 20%, 30% и 28% соответственно. А количество сырого протеина возрастает на 4,2%, 5,1% и 3,7% соответственно.

В целом же и зерно, и не зерновую часть продукции совместных агроценозов можно рассматривать как экологически чистую продукцию, полученную за счёт снижения применения минеральных удобрений. При повышении коэффициента энергетической эффективности при возделывании данных культур в совместных посевах.

Выводы. Тот же факт, что безотвальная обработка влияет, а лучше сказать способствует повышению содержания лабильных форм гумусовых веществ, свидетельствует о возможности этой обработки сохранять плодородие почв. Наши исследования на слабоэродированном обыкновенном черноземе показали, что применение удобрений в дозах 9 т на 1 га севооборотной площади на фоне отвальной вспашки позитивно не повлияло на увеличение гумуса в почве. Поскольку новыми подходами для увеличения запаса гумуса являются применение многолетних трав, то с этой целью нами были разработаны и испытаны в полевых условиях ряд концептов безопасного ведения земледелия на уровне охраноспособных объектов. Один из них — «Способ создания пролонгированного кулисного пара», который включает посев растений в виде полос перпендикулярно вектору стока (Патент РФ 2 260 929) [5].

• 1. Александрова Л. Н. Органическое вещество почвы и процессы его трансформации [Текст] / Л. Н. Александрова.- Л.: Наука, 1980.-128 с.
• 2. Мишустин Е. Микробиологические основы использования соломы как удобрения [Текст] / Е. Мишустин, Н. Востров // Земледелие.-1969.-№ 10.-С. 40.
• 3. Туев Н. А. Влияние различных способов обработки почвы на интенсивность микробиологических процессов гумусообразования [Текст] / Н. А. Туев / Микроорганизмы как компонент биогеоценоза. — Алма-Ата: 1982.-С. 148.
• 4. Усатенко Ю. А. Влияние технологических особенностей на предупреждение кризисных ситуаций в земледелии (в условиях бассейна реки Северский Донец). Монография [Текст] / Ю. А. Усатенко, М. В. Орешкин, М. В. Болотских, А. И. Денисенко, Н. А. Зеленский.- Луганск: ОАО «ЛОТ», 2005. 196 с.
• 5. Патент 2 260 929 РФ, МПК7 А 01 В 792. Способ создания пролонгированного кулисного пара Текст Н. А. Зеленский, Е. П. Луганцев, М. В. Орешкин № 2 003 131 217. Заявлено 23.10.03; Опубл. 20.05.05 Бюл.№ 27.