Влияние способов землепользования, удобрений и извести на распределение органического углерода и биогенных элементов по профилю почвы. Содержание инертных компонентов в составе гумуса. Биологическая активность дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы.
Аннотация к работе
Актуальность темы: Проблема органического вещества почв, начиная с работ В.В.Докучаева, П.А.Костычева и Н.М.Сибирцева занимает одно их центральных мест в почвоведении в целом и в агрономической науке, в частности. Особый интерес представляют методы, позволяющие в пределах одного типа почв выделить наиболее агрономически ценные составляющие гумуса, которые в качественном и количественном отношении достаточно чувствительны к условиям агротехники и оказывают существенное воздействие на продуктивность пашни. Цель работы: изучить влияние длительного воздействия различных способов землепользования, удобрений и извести на содержание, состав и свойства гумуса и определить оптимальные параметры гумусного состояния дерново-подзолистых тяжелосуглинистых почв Предуралья, обеспечивающие получение максимальной продуктивности пашни при эффективном использовании различных систем удобрения. · исследовать фракционно-групповой состав гумуса дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы; Впервые в условиях Предуралья проведены комплексные исследования гумусного состояния дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы: · изучена многолетняя динамика содержания гумуса;Результаты исследования динамики содержания гумуса за 28 лет ведения опыта представлены в таблице 2. Многолетнее парование дерново-подзолистой почвы, интенсивная механическая обработка и отсутствие поступления растительных остатков обусловило снижение содержания гумуса в пахотном слое на 30% по сравнению с исходным (1.90%). Поступление в почву растительных остатков даже в незначительном количестве (вариант: Бессменный ячмень, без удобрений) несколько замедлило скорость минерализации органического вещества и способствовало поддержанию гумуса на уровне 1.54-1.59%, а с внесением минеральных удобрений (NPK по 60 кг д.в. на 1 га) - 1.69-1.70%. В типичном для Предуралья семипольном севообороте с двумя полями многолетних трав (зеленая масса отчуждается) при применении подстилочного навоза из расчета по 6 т/га сохранен исходный уровень содержания гумуса. Совместное внесение 10 т/га навоза и эквивалентного количества NPK способствовало улучшению целого комплекса показателей, в частности, заметно увеличилось содержание подвижного фосфора и калия (33.1 и 34.8 мг/100 г соответственно), а также гумуса, наличие которого через 32 года ведения опыта составило 2.37%.Минимальными запасами в слое 0-20 см характеризуется почва бессменного чистого пара-35.5 т/га (рис. Обеднена азотом почва бессменного чистого пара, где в слое 0-20 см содержится 1.52 т/га, а в слое 0-100 см - 6.62 т/га. Максимальные запасы гумуса определены на вариантах: Навоз 20 т/га в год и Навоз 20 т/га NPK, экв. По данным наших исследований, выполненных на базе длительного стационарного опыта 1 Пермского НИИСХ на делянке с бессменным чистым паром (таблица 5),уровень гумусированности почвы составляет 1.34±0.1% или 0.78±0.01% С.Этот уровень гумуса можно условно принять за минимальный для дерново-подзолистых тяжелосуглинистых почв Предуралья. Фракция 2 гумусовых веществ, связанных в почве с катионами кальция, в зависимости от применяемых систем удобрения варьировала в узком интервале от 20.3 до 23.9% от Сорг. почвы.Комплексные исследования, проведенные в длительных стационарных опытах Пермского НИИСХ с использованием современных методов и подходов, а также анализ сформированных за весь период их проведения информационных баз данных позволили подойти к определению оптимальных параметров гумусного состояния пахотных почв региона, используемых на основе зональных агротехнологий. Под оптимизацией состояния гумуса нами понимается достижение определенных количественных критериев основных характеристик, включающих оценку содержания, запасов, качественных показателей состава гумуса, соотношение инертных и активных компонентов, химической структуры и свойств макромолекул гуминовых кислот, которые обеспечивают высокую продуктивность почв при соответствии экологическим критериям и принципам устойчивости: - содержание органического вещества должно превышать его минимальное (критическое) значение; участие активных компонентов в составе гумуса должно быть достаточным для создания благоприятных условий роста и развития растений в данных почвенно-климатических условиях и обеспечивать экологические функции почв; в бессменном чистом пару преобладают устойчивые, малоактивные формы гумусовых веществ, что приводит к деградации ,снижению эффективного плодородия почв;Анализ взаимосвязи параметров гумусного состояния с урожаями сельскохозяйственных культур, продуктивностью почв, основными агрохимическими показателями (РН, подвижный Р и К, гранулометрический состав) и биологическими свойствами почвы позволили выявить направленность изменения гумусного состояния при разных условиях землепользования, применения удобрений и извести и определить ориентировочные оптимальные параметры основных показателей гумусного состояния для типичных дерново-подзолистых тяжелосуглинистых почв Предуралья. Динамика и баланс гумуса почв находятся в тесной зависимости о
План
Содержание фракции в %
Вывод
Динамика содержания гумуса при длительном применении различных агротехнологий
Опыт 1 представляет собой особый интерес, так как кроме пахотных почв с применением различных агротехнологий имеет делянки с бессменным паром и залежью. Результаты исследования динамики содержания гумуса за 28 лет ведения опыта представлены в таблице 2. Многолетнее парование дерново-подзолистой почвы, интенсивная механическая обработка и отсутствие поступления растительных остатков обусловило снижение содержания гумуса в пахотном слое на 30% по сравнению с исходным (1.90%). Максимальные потери наблюдались в первые 7 лет ведения опыта. В последующие годы темпы минерализации значительно снизились, с 1984 г. по 2001 г. содержание гумуса изменилось с 1.42 до 1.34%.
Таблица 2 - Динамика гумуса в длительном опыте 1 при различном землепользовании ,%
Тип землепользования Годы наблюдений
1977 1983 1993 2001 2005
Бессменный чистый пар 1.90 1.42 - 1.34 1.34
Бессменный ячмень, без удобрений -«- 1.72 - 1.54 1.59
Севооборот с высоким насыщением бобовыми культурами (42.8%),без удобрений -«- - 1.71 1.75 1.83
Севооборот с высоким насыщением бобовыми культурами (42,8%), N60Р60К60 -«- - 1.71 1.89 1.90
Залежь -«- - - 2.17 2.24
НСР05 0.11 0.08
Поступление в почву растительных остатков даже в незначительном количестве (вариант: Бессменный ячмень, без удобрений) несколько замедлило скорость минерализации органического вещества и способствовало поддержанию гумуса на уровне 1.54-1.59%, а с внесением минеральных удобрений (NPK по 60 кг д.в. на 1 га) - 1.69-1.70%.
В типичном для Предуралья семипольном севообороте с двумя полями многолетних трав (зеленая масса отчуждается) при применении подстилочного навоза из расчета по 6 т/га сохранен исходный уровень содержания гумуса. Совместное применение органических и минеральных удобрений повысило уровень гумусированности почвы до 2.29% .
Насыщение зернотравяного семипольного севооборота бобовыми культурами до 42,8% (два поля клевера и одно люпина однолетнего) при отчуждении зеленой массы трав не привело к заметному повышению уровня гумусированности почвы. На варианте без минеральных удобрений к 2001 г. его содержание было близким к исходному и составило 1.75%. Дополнительное внесение удобрений в севообороте с высоким насыщением бобовыми, обеспечило бездефицитный баланс гумуса.
В залежной почве установилось максимальное (по Л.П.Шишову и Б.М.Когут) в естественных условиях почвообразования содержание гумуса (2.17-2.24%), что соответствует целинной почве.
В опыте 2 известкование дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы действовало на содержание гумуса по-разному в зависимости от доз и способов внесения. Внесение извести по 0.5 и 1. 0 г.к. перед закладкой опыта без минеральных удобрений не способствовало сохранению исходного уровня гумусированности дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы, наблюдалось его снижение от исходного на 14.4 и 20.2% соответственно (таблица 3).
Таблица 3 - Динамика содержания гумуса в почве длительного опыта 2, %
Вариант Исходное (1980 г.) I ротация (1987 г.) II ротация (1993 г.) III ротация (2000 г.) Убыль гумуса за 21 год к исходному содержанию в почве, %
Контроль 2.69 2.59 2.39 2.09 22.0
САСО3 по 0.5 г.к. 2.64 2.67 2.52 2.26 14.4
САСО3 по 1.0 г.к. 2.97 2.60 2.63 2.37 20.2
NPK 2.76 2.56 2.48 2.28 17.4
NPK САСО3 по 0.5 г.к. 2.74 2.52 2.40 2.31 15.7
NPK САСО3 по 1.0 г.к. 2.75 2.63 2.54 2.29 16.7
2 NPK 2.68 2.60 2.50 2.34 12.7
2 NPK САСО3по 0.5 г.к. 2.72 2.65 2.52 2.35 13.7
2 NPK САСО3по 1.0 г.к. 2.85 2.74 2.58 2.68 6.0
САСО3 по 1.0 г.к. САСО3 по 0.5 г.к. 2.64 2.50 2.53 2.33 11.7
NPK САСО3 по 1,0 г.к. САСОЗ по 0.5 г.к. 2.75 2.64 2.64 2.53 8.0
Проведение повторного известкования во второй ротации севооборота уменьшило потери гумуса до 11.7%. При известковании почвы в сочетании с минеральными удобрениями ( вариант 2NPK Са по 1.0 г.к.) потери гумуса за 21 год составили только 6.0%. Исходный уровень содержания гумуса (2.82% ) был сохранен на варианте 2NPK САСОЗ по 1.0 г.к. САСОЗ по 0.5 г.к.
Во второй и третьей ротациях севооборота усилились темпы минерализации гумуса, что, по-видимому, связано с ослабляющим действием извести.
В опыте 3 насыщение пашни навозом по 10 т/га обеспечило не только сохранение исходного уровня содержания гумуса в течение четырех ротаций севооборота, но и несколько повысило его. Уровень гумуса составил в этом варианте 2.25%, что на 9% выше, чем в исходной почве. Увеличение дозы навоза до 20 т/га в год существенно обогатило почву органическом веществом. Прирост гумуса за три ротации восьмипольного севооборота составил 17%.
Совместное внесение 10 т/га навоза и эквивалентного количества NPK способствовало улучшению целого комплекса показателей, в частности, заметно увеличилось содержание подвижного фосфора и калия (33.1 и 34.8 мг/100 г соответственно), а также гумуса, наличие которого через 32 года ведения опыта составило 2.37%.
Многолетняя динамика гумуса при применении различных систем удобрения представлена на рис. 1. Начальной точкой явилось исходное содержание, равное 2.06% .
Тренды динамики гумуса показывают, что к концу третьей ротации уровень гумуса в почве приблизился к равновесному и далее его количество слабо изменялось. При этом уровни содержания гумуса установились различными в зависимости от применяемых систем удобрений: минимальный - на контроле без удобрений (1.82%), максимальный - при внесении 10 т навоза совместно с NPK (2.37%).
В целом по трем опытам выявлено, что потеря или накопление гумуса наиболее интенсивно происходило в первые годы после резкого изменения условий землепользования, затем его количество стабилизировалось на определенном стационарном уровне.
Влияние приемов землепользования удобрений и извести на распределение органического углерода и биогенных элементов по профилю почвы
Изменение гранулометрического состава профиля почвы в ходе агрогенеза принадлежит к числу наиболее важных и трудно регулируемых факторов, определяющих динамику почвенного плодородия (Козловский, 2003). Определение гранулометрического состава по методу Качинского показало, что почва опыта 1 тяжелосуглинистая, крупнопылеватая, содержание физической глины > 40%. Отмечена тенденция к увеличению содержания фракции крупной пыли в пахотном горизонте при внесении удобрений, особенно органических. Максимальным (40.9%) количеством частиц данной фракции характеризуется почва типичного севооборота при внесении навоза совместно с NPK (таблица 4). Вниз по профилю содержание этих частиц постепенно уменьшается. При длительном применении приемов землепользования в составе механических фракций отмечено изменение содержания ила в слое 0-20 см от 14.5 до 18.8%. Максимальное его количество определено в почве бессменного пара, а минимальное - в почве залежи и на варианте с применением навоза. Вниз по профилю содержание илистых частиц возрастет до 35.5%. В целом содержание физической глины в нижележащих горизонтах (40-100 см) значительно выше, чем в пахотном слое, что, по-видимому, объясняется влиянием почвообразующей породы, которая богата физической глиной. Значимых изменений других фракций гранулометрического состава по профилю не установлено.
В опыте 2 известкование слабо повлияло на гранулометрический состав почвы. Отмечена лишь тенденция к увеличению частиц крупной пыли и уменьшение фракции ила при внесении извести и минеральных удобрений с 15.3% на контроле до 11.6% - на варианте 2NPK САСО3 по 1.0 г.к.
В опыте 3 органо-минеральная система удобрения (навоз 10 т/га экв. NPK) способствовала повышению содержания фракции крупной пыли в пахотном слое до 32.9% относительно 27.9% на контроле. Для фракции ила отмечена обратная тенденция. Максимальное его количество (19.3%) было в почве контрольного варианта, минимальное (14.6%) - на варианте Навоз 10 т/га экв. NPK. Характер распределения фракций гранулометрического состава в опытах 2, 3 по профилю аналогичен их распределению в опыте 1.
Длительное применение различных агротехнологий не изменило классификационную принадлежность исследуемой почвы по гранулометрическому составу, но повлияло на ее агрохимические параметры и распределение биогенных элементов по профилю. Основные изменения произошли в пределах верхнего 0-40 см слоя и обусловлены типом землепользования, известкованием и внесением органических и минеральных удобрений.
В опыте 1 длительное парование и возделывание монокультуры без удобрений привело к потере почвой основных элементов питания. Содержание подвижного фосфора и обменного калия уменьшилось за 25 лет ведения опыта почти на 40%, гумуса - на 30%. Не выявлено закономерных изменений катионов кальция и магния под влиянием различных приемов землепользования. Установлено, что концентрация этих элементов увеличивается в глубь по профилю. Аналогичная тенденция отмечена для подвижных форм фосфора и калия, концентрация которых в верхнем 0-40 см слое почвы значительно ниже, чем в нижележащих горизонтах.
Таблица 4 - Характеристика органопрофиля и распределение фракций гранулометрического состава почвы опыта 1
Приемы землепользования Глубина взятия образца, см PHKCL Са Mg Р2О5 К2О Сорг., % Nобщ. % С:N Пыль крупная 0.05-0.01 мм Ил <0.001 мм мг-экв/100 г мг/100 гКомплексные исследования, проведенные в длительных стационарных опытах Пермского НИИСХ с использованием современных методов и подходов, а также анализ сформированных за весь период их проведения информационных баз данных позволили подойти к определению оптимальных параметров гумусного состояния пахотных почв региона, используемых на основе зональных агротехнологий.
Под оптимизацией состояния гумуса нами понимается достижение определенных количественных критериев основных характеристик, включающих оценку содержания, запасов, качественных показателей состава гумуса, соотношение инертных и активных компонентов, химической структуры и свойств макромолекул гуминовых кислот, которые обеспечивают высокую продуктивность почв при соответствии экологическим критериям и принципам устойчивости: - содержание органического вещества должно превышать его минимальное (критическое) значение;
- участие активных компонентов в составе гумуса должно быть достаточным для создания благоприятных условий роста и развития растений в данных почвенно-климатических условиях и обеспечивать экологические функции почв;
- высокий уровень плодородия дерново-подзолистых почв определяется оптимальным сочетанием в составе гумуса «зрелых», устойчивых и легко трансформируемых, химически и биологически активных гумусовых веществ;
- в бессменном чистом пару преобладают устойчивые, малоактивные формы гумусовых веществ, что приводит к деградации ,снижению эффективного плодородия почв;
- в залежи, наряду с сохранением «зрелых», трудно минерализуемых органических веществ имеется достаточно высокое содержание активного, легко трансформируемого углерода. Такое состояние гумуса приближается к оптимальному;
- для пахотных почв оптимальное сочетание активных и устойчивых компонентов в составе гумусовых веществ имеет место при органоминеральной системе удобрения (навоз 10 т/га экв. NPK) и при известковании почвы по фону минеральных удобрений. Гумусное состояние этих почв позволяет получать стабильно высокие урожаи сельскохозяйственных культур, улучшать агрохимические свойства, обеспечивая растения необходимыми элементами питания. Поэтому количественные характеристики основных показателей гумусного состояния почв этих вариантов можно ориентировочно принять за оптимальные для данных почвенно-климатических и агротехнологических условий (таблица 21).
Гумус, % Запасы гумуса, т/га (0-100 см) Сорг., % Ctrans в составе гумуса, % Содержание гумусовых кислот 1-й фракции, % к Сорг., почвы Содержание гумусовых кислот 2-й фракции, % к Сорг., почвы СГК СФК