Проблема сохранения плодородия пахотных почв в современных условиях не теряет своей актуальности. Интенсивное агрогенное воздействие на почвы без применения мер по сохранению их плодородия приводит к ухудшению баланса элементов питания, гумуса, физико-химических и водно-физических свойств. Так, по данным агрохимической службы Омской области за период с 1990 по 2015 г. средневзвешенное содержание гумуса в почвах региона уменьшилось с 5,34 до 5,0 %. При среднем уровне применения минеральных удобрений 2,2 кг/га и органических 0,8 т/га пашни сохраняется отрицательный баланс азота, фосфора и калия [1]. В этих условиях возрастает роль использования в земледелии биологических ресурсов, в том числе органических удобрений [2]. В настоящее время в регионе работает ряд крупных животноводческих комплексов по производству свинины. Внедрение на производстве современных технологий разделения навоза на жидкую и твердую фракции, систем подготовки, хранения и внесения в почву позволяет повысить продуктивность сельскохозяйственных культур с соблюдением природоохранных требований.
Значение свиного навоза как средства повышения урожайности сельскохозяйственных культур показано в разных регионах страны [3, 4], в том числе в Омской области [5, 6]. В то же время исследований по изменению параметров плодородия почв региона проведено недостаточно. Целью наших исследований являлось изучение действия твердой фракции свиного навоза на показатели почвенного плодородия лугово-черноземной почвы: содержание и состав гумуса, физико-химические свойства, структурное состояние.
Материалы и методы исследования
Исследования проводили в 2016–2018 гг. в полевых опытах, заложенных на опытном поле Омского ГАУ. Территория г. Омска относится к подзоне южной лесостепи. В геоморфологическом отношении опытный участок расположен на равнинной поверхности второй надпойменной террасы реки Иртыш, сложенной аллювиальными отложениями.
Объектом исследования была лугово-черноземная очень маломощная слабогумусированная среднесуглинистая почва (по классификации почв России 2004 г. агрочернозем квазиглееватый среднепахотный среднесуглинистый). По степени эродированности почва является среднесмытой за счет процессов плоскостного смыва.
Опыты закладывали в 2016 и 2017 гг. в непосредственной близости на одной почвенной разности. Использовали твердую фракцию навоза свиноводческого комплекса ООО «РУСКОМ-Агро» Кормиловского района в дозах 20, 30, 40, 50, 60 т/га при его естественной влажности. В статье приводятся данные по влиянию минимальной и максимальной доз навоза на свойства почвы. Навоз вносили весной до посева с последующей заделкой под вспашку на глубину 20 см. Химический состав навоза при естественной влажности: N – 0,57–0,59 %, P2О5 – 1,08–1,13 %, K2О – 0,14–0,21 %, содержание органического вещества 81,2–82,1 %, рН 7,4–8,0, влажность 73,6–73,7 %. Возделываемая культура – пшеница сорта «Элемент-22». Площадь делянки 18 м2, повторность трехкратная. Почвенные пробы отбирали после уборки пшеницы буром на глубину 0–20 см. В пробах почвы определяли содержание гумуса по И.В. Тюрину в модификации В.Н. Симакова с дополнениями Б.А. Никиктина; групповой и фракционный состав гумуса – по И.В. Тюрину в модификации В.В. Пономаревой и Т.А. Плотниковой; рН водной суспензии потенциометрическим методом. Обменно-поглощенные катионы вытесняли 1М CH3COONH4 с последующим определением кальция и магния трилонометрическим методом, натрия на пламенном фотометре. Анализ структурно-агрегатного состава почвы проводили по Н.И. Савинову, водопрочность воздушно-сухих структурных агрегатов размером 3–5 мм по П.И. Андрианову в модификации Н.А. Качинского.
Результаты исследования и их обсуждение
Одним из основных показателей плодородия почвы является содержание и качественный состав гумуса. Исследованная лугово-черноземная почва имела низкое его содержание, связанное с воздействием процессов плоскостного смыва, а также с ее длительным сельскохозяйственным использованием (табл. 1).
Таблица 1
Содержание и запасы гумуса в слое 0–20 см лугово-черноземной почвы в условиях применения твердой фракции свиного навоза (опыт 1)
|
Вариант |
Гумус, % |
Оценка содержания гумуса |
Запасы гумуса в слое 0–20 см, т/га |
Оценка запасов гумуса |
|
1-й год действия, 2016 г. |
||||
|
Контроль |
2,00 ± 0,03 |
низкое |
46,0 ± 0,19 |
очень низкие |
|
Навоз 20 т/га |
2,14 ± 0,01 |
низкое |
49,2 ± 0,27 |
очень низкие |
|
Навоз 60 т/га |
2,67 ± 0,01 |
низкое |
61,4 ± 0,30 |
низкие |
|
1-й год последействия, 2017 г. |
||||
|
Контроль |
2,06 ± 0,04 |
низкое |
47,4 ± 0,89 |
очень низкие |
|
Навоз 20 т/га |
2,11 ± 0,04 |
низкое |
48,5 ± 0,75 |
очень низкие |
|
Навоз 60 т/га |
2,64 ± 0,07 |
низкое |
60,7 ± 1,68 |
низкие |
|
2-й год последействия, 2018 г. |
||||
|
Контроль |
2,10 ± 0,04 |
низкое |
48,4 ± 0,84 |
очень низкие |
|
Навоз 20 т/га |
2,09 ± 0,08 |
низкое |
48,0 ± 1,93 |
очень низкие |
|
Навоз 60 т/га |
2,45 ± 0,02 |
низкое |
56,3 ± 0,41 |
низкие |
Примечание. Плотность почвы в слое 0–20 см 1,15 г/см3. Величина НСР05 для содержания гумуса в 2016 г. 0,13 %, в 2017 и 2018 гг. 0,41 %.
Запасы гумуса в слое 0–20 см почвы оценивались как очень низкие. Применение органического удобрения в год действия вызвало увеличение содержания гумуса и его запасов в почве на 7,5 % при дозе 20 т/га и на 33,5 % в варианте с дозой 60 т/га. В первый год последействия навоза более высокий уровень содержания гумуса в пахотном слое почвы (на 28,5 % по сравнению с контролем) сохранялся только при максимальной дозе удобрения. Увеличение количества гумусовых веществ в почве при внесении навоза связано с высоким содержанием в нем углеродсодержащих органических веществ, в том числе частично гумифицированных. На второй год последействия статистически достоверных различий в содержании гумуса между вариантами не наблюдалось при сохранении тенденции к его увеличению в варианте с дозой 60 т/га.
Лугово-черноземная почва характеризовалась фульватно-гуматным типом гумуса (табл. 2).
Таблица 2
Групповой состав гумуса в слое 0–20 см лугово-черноземной почвы в условиях применения твердой фракции свиного навоза (опыт 1)
|
Вариант |
1 год действия, 2016 г. |
1 год последействия, 2017 г. |
||||
|
Собщ, %* |
Сгк |
Сфк |
Сгк/Сфк |
Собщ* почвы, % |
Сгк-1, % от Собщ |
|
|
% от Собщ |
||||||
|
Контроль |
1,16 |
53,9 |
32,8 |
1,64 |
1,19 |
4,3 |
|
Навоз 20 т/га |
1,24 |
62,9 |
28,9 |
2,18 |
1,22 |
10,6 |
|
Навоз 60 т/га |
1,55 |
64,5 |
30,0 |
2,15 |
1,53 |
10,4 |
Примечание. Сгк – углерод гуминовых, Сфк – углерод фульвокислот; * – от массы почвы.
Среди гуминовых кислот преобладала фракция (ГК2), связанная с кальцием (30,76 % общего углерода и 57,1 % общей суммы ГК). Доля гуминовых кислот, прочно связанных с глинистыми минералами и устойчивыми полуторными оксидами (фракция ГК3), была меньше: 15,7 % от общего содержания углерода. На долю фракции ГК 1 (свободная и связанная с подвижными полуторными оксидами) приходилось всего 7,4 % углерода. Между тем именно эта фракция играет наиболее важную роль в питании растений. Среди ФК количество «агрессивных» фульвокислот (ФК1а) занимало 14,7 % их общей суммы. Содержание остальных фракций этой группы кислот распределилось приблизительно в равных долях.
Действие свиного навоза за вегетационный период вызвало определенные изменения фракционно-группового состава гумуса почвы. В вариантах с удобрением увеличилось содержание углерода гуминовых кислот, среди которых доля свободных кислот возросла на 73-97 % по сравнению с контролем и достигла 14,6 % от общего содержания углерода. Увеличение содержания фракций ГК3, связанных с устойчивыми полуторными оксидами и глинистыми минералами, достигало 18–46 %. Степень гумификации органического вещества по всем вариантам опыта была очень высокая. В составе ФК было отмечено снижение содержания фракций ФК1 и ФК3 и увеличение доли ФК, связанных с фракцией ГК2, т.е. связанных с кальцием. Общее содержание углерода ФК в почве под действием навоза существенно не изменилось. В вариантах с внесением свиного навоза отмечалось увеличение соотношения Сгк/Сфк до 2,15–2,18 и изменение типа гумуса от фульватно-гуматного до гуматного.
В год последействия удобрения сохранялось не только более высокое содержание углерода в почве, но и более высокое содержание лабильной фракции ГК-1 (табл. 2). Повышение содержания гуминовых кислот и снижение доли фульвокислот при заметном изменении соотношения Сгк/Сфк в сторону его расширения наблюдалось в опытах на лугово-черноземной почве с длительным применением навоза крупного рогатого скота [2].
Одними из показателей плодородия почвы являются состав и количество обменно-поглощенных катионов, а также реакция среды. Почва контрольного варианта имела сравнительно небольшую величину суммы обменных катионов (18,2 ммоль/100 г), связанную с низким содержанием гумуса и среднесуглинистым гранулометрическим составом (табл. 3).
Таблица 3
Физико-химические свойства слоя 0–20 см лугово-черноземной почвы в условиях применения твердой фракции свиного навоза (2017 г.)
|
Вариант |
рН |
Ca2+ |
Mg2+ |
Na+ |
S*, ммоль/100 г |
|||
|
ммоль/100 г |
% |
ммоль/100 г |
% |
ммоль/ 100 г |
% |
|||
|
1-й год действия навоза (опыт 2) |
||||||||
|
Контроль |
6,38 |
9,58 |
52,6 |
7,92 |
43,5 |
0,70 |
3,84 |
18,2 |
|
20 т/га |
6,35 |
11,7 |
57,9 |
8,03 |
39,8 |
0,46 |
2,28 |
20,2 |
|
60 т/га |
6,48 |
10,4 |
48,8 |
10,4 |
48,8 |
0,45 |
2,11 |
21,3 |
|
1-й год последействия навоза (опыт 1) |
||||||||
|
Контроль |
6,71 |
9,60 |
52,7 |
7,90 |
43,4 |
0,71 |
3,90 |
18,2 |
|
20 т/га |
6,65 |
10,0 |
51,8 |
8,75 |
45,3 |
0,48 |
2,49 |
19,3 |
|
60 т/га |
6,47 |
10,8 |
53,7 |
8,75 |
43,5 |
0,48 |
2,39 |
20,1 |
Примечание. * – сумма поглощенных оснований. НСР05 для Ca2+ в год действия 1,46, в год последействия 1,47 ммоль/100 г, для Mg2+ 2,95 и 2,91 ммоль/100 г.
Соотношение обменно-поглощенных катионов с агроэкологической точки зрения не являлось оптимальным. При низком содержании обменного кальция в почве (52,6–52,7 % суммы катионов) наблюдалось повышенное количество магния, на долю которого приходится 43,4–43,5 %.
Применение навоза не вызвало существенных изменений состава и соотношения обменно-поглощенных катионов почвы. Однако четко наметилась тенденция к увеличению их суммы на 10,4–17,0 % по отношению к контрольному варианту. Реакция среды в пахотном слое лугово-черноземной почвы в контрольных вариантах изменялась от слабокислой до близкой к нейтральной. Применение органического удобрения не повлияло существенно на величину рН водной суспензии. Даже при внесении навоза с рН 8,0 в 2017 г. не отмечено подщелачивания почвы.
Одним из важнейших свойств почвы, определяющим физические и физико-механические свойства, воздушный, водный режимы и в целом ее плодородие, является структура. Пахотный слой лугово-черноземной почвы морфологически характеризовался пылевато-глыбисто-комковатой структурой, характерной для длительно используемых в пашне почв. Почва опытного участка имеет неблагоприятное структурное состояние в связи с низким содержанием органического вещества и лабильных фракций гуминовых кислот, обменно-поглощенного кальция и его неблагоприятным соотношением с магнием, воздействием эрозионных процессов, ежегодными механическими обработками. По количеству агрегатов с размером более 0,5 мм почва имеет среднюю и хорошую степень агрегированности. Однако значительная их доля входит в состав фракций с размером > 10 мм (44,3–53,6 %) и < 0,25 мм (10,3–14,8 %). В соответствии с этим количество агрономически ценных по размерам агрегатов в почве контрольных вариантов было небольшим, но оценивалось как удовлетворительное (табл. 4).
Таблица 4
Показатели структурного состояния пахотного слоя лугово-черноземной почвы (опыт 1)
|
Вариант |
Кагр |
Количество агрономически ценных агрегатов, % |
Кстр |
Количество водопрочных агрегатов, % |
|
2016 г., 1-й год действия навоза |
||||
|
Контроль |
67,4 |
57,7 |
1,36 |
10,0 ± 1,63 |
|
Навоз 20 т/га |
66,6 |
56,6 |
1,30 |
12,7 ± 0,67 |
|
Навоз 60 т/га |
76,0 |
46,2 |
0,86 |
16,7 ± 2,40 |
|
2017 г., 1-й год последействия навоза |
||||
|
Контроль |
84,0 |
45,4 |
0,80 |
22,5 ± 1,44 |
|
Навоз 20 т/га |
82,9 |
48,4 |
0,90 |
26,7 ± 5,46 |
|
Навоз 60 т/га |
82,2 |
44,3 |
0,80 |
33,3 ± 3,31 |
|
2018 г., 2-й год последействия навоза |
||||
|
Контроль |
91,0 |
43,4 |
0,77 |
10,0 ± 2,89 |
|
Навоз 20 т/га |
93,6 |
30,6 |
0,44 |
10,8 ± 0,83 |
|
Навоз 60 т/га |
92,6 |
42,0 |
0,72 |
25,0 ± 3,82 |
Примечание. Кагр – коэффициент агрегированности, рассчитан как сумма агрегатов > 0,50 мм; Кстр – коэффициент структурности, рассчитан как отношение агрономически ценных агрегатов 0,25–10 мм к сумме агрегатов <0,25 мм и >10 мм. Величина НСР05 для количества водопрочных агрегатов в 2016 г. 6,33 %, в 2017 г. 8,67 %, в 2018 г. 9,46 %.
Навоз оказывал неустойчивое влияние на структуру почвы. Так, в опыте 1 в год действия отмечалось снижение количества агрономически ценных агрегатов и величины коэффициента структурности за счет увеличения глыбистых агрегатов (табл. 4). В то же время в опыте 2 в период действия, напротив, было установлено увеличение коэффициента структурности с 0,46 на контроле до 1,20–0,70 в вариантах с навозом, уменьшение содержания фракции агрегатов > 10 мм и увеличение количества мезоагрегатов размером 3–5 мм. При последействии навоза существенных изменений структурно-агрегатного состава почвы не было выявлено.
Количество водопрочных агрегатов размером 3–5 мм в пахотном слое почвы контрольных вариантов в разные годы изменялось от 10,0 до 22,5 % и оценивалось как низкое. Действие навоза в дозе 60 т/га привело к существенному увеличению их доли на 67,0 %, однако водопрочность структуры оставалась неудовлетворительной. В годы последействия органического удобрения его положительное существенное влияние на количество устойчивых к воздействию воды агрегатов, также сохранялось только при дозе навоза 60 т/га. Следует отметить, что формирование структуры почвы является длительным процессом, происходящим под действием комплекса механических, физико-химических, химических и биологических факторов. Для улучшения структурного состояния почвы требуется не одноразовое, а систематическое применение органических удобрений в сочетании с рациональной системой обработки почвы и севооборотом.
Заключение
Таким образом, проведенные исследования свидетельствуют о положительном влиянии твердой фракции свиного навоза на показатели эффективного плодородия лугово-черноземной очень маломощной слабогумусированной среднесмытой почвы. Применение навоза в дозах 20 и 60 т/га вызвало улучшение гумусного состояния почвы в период его действия и первый год последействия. Содержание и запасы гумуса в год действия удобрения существенно увеличивались на 7,5 и 33,5 % соответственно дозам, в первый год последействия – на 28,0 % в варианте с дозой навоза 60 т/га. В составе гумуса произошло увеличение содержания гуминовых кислот и их лабильной фракции, участвующей в питании растений, на 73–97 % в год действия навоза и до 2,5 раз в первый год последействия. Действие свиного навоза способствовало увеличению соотношения Сгк/Сфк от 1,64 до 2,15–2,18 и изменению типа гумуса от фульватно-гуматного до гуматного. Состав обменно-поглощенных катионов и реакция среды в условиях применения навоза отличались большей стабильностью, при этом наблюдалась тенденция возрастания величины суммы поглощенных оснований. Увеличение количества водопрочных агрегатов в год действия и два года последействия навоза наблюдалось только при его максимальной дозе. В целом наиболее значимое влияние на гумусное состояние и водопрочность структуры лугово-черноземной почвы оказала доза твердой фракции свиного навоза 60 т/га.