Функционирование системы «почва – растение» в значительной степени определяется аккумуляцией и трансформацией органического вещества в почве, что показано в многочисленных исследованиях отечественных и зарубежных авторов [5, 6, 8]. Основной составляющей её признаётся гумус почвы, параметры которого значительно варьируют в количественном и качественном отношении по зонам и типам почвы.
Уровень гумусированности почвы зависит от состояния принятой системы земледелия, которая призвана должным образом обеспечить воспроизводство гумуса без дополнительных, неоправданно высоких затрат [1, 10]. При этом биологические особенности растения ставят на первое место. В этой связи повышается роль фитоценотических источников органического вещества в содержании гумуса в почве. Исследования в этом направлении указывают на возможность пополнения запасов органического вещества почвы за счёт растительных остатков.
Разнообразные данные о трансформации органического вещества в ландшафте удобнее анализировать и сопоставлять при переводе их в энергетические единицы [2, 4, 6]. Потоки различных видов энергии в земледелии сливаются в системе «почва - растение - атмосфера», где происходит преобразование кинетической энергии солнца в потенциальную энергию органического вещества растений и где формируется круговорот биологических веществ в экосистеме. Поскольку в системах земледелия почва выступает как биокосное тело, следует учитывать и закономерности почвообразовательных процессов, хотя уже и трансформированных человеком, и считать их первичными, а социально-экономические факторы – вторичными [3, 7]. Возделывание сельскохозяйственных культур оказывает существенное влияние на динамику почвообразовательных процессов почвы.
Расширение посевов злакобобовых травостоев особенно актуально для земельных угодий нечерноземной зоны, почвы которых нуждаются в больших количествах удобрений [7, 8, 9]. Почвы Тверской области имеют рН kcl на уровне 5,5–5,6. Средневзвешенное содержание гумуса в почвах составляет 2,1 %, что соответствует группе среднеобеспеченных. По содержанию доступного фосфора большая часть почв Тверской области находится на уровне от среднего до высокого (более 75 %). Динамика содержания доступного калия в почвах Тверской области имеет тенденцию снижения со 115 до 95 мг/кг, а в настоящее время его значение варьирует от 94 до 99 мг/кг и в целом соответствует группе среднеобеспеченных почв. Основной формой миграции химических элементов являются водорастворимые органо-минеральные комплексы, способные как к стабилизации, так и к миграции [10].
Цель исследований – изучить интенсивность энергетических потоков в системе «растение – почва» в зависимости от ландшафтно-экологических условий, антропогенных воздействий и биоразнообразия растительных сообществ на примере козлятника восточного и пятикомпонентной смеси многолетних бобово-злаковых трав.
Материалы и методы исследований
Исследования проводились на агроэкологическом полигоне ВНИИМЗ с 1997 по 2012 гг. Он расположен в пределах конечно-моренного холма с относительной высотой 15 м, состоящего из межхолмных депрессий (северной и южной), южного склона крутизной 3–5°, плоской вершины и северного склона крутизной 2–3°. Почвенный покров представлен вариацией-мозаикой дерново-подзолистых глееватых и глеевых почв, развивающихся на двучленных отложениях различной мощности. Южный склон характеризуется господством песчаных и супесчаных почв, тогда как на северном преобладают их легкосуглинистые разности, что является генетической особенностью конечно-моренных гряд.
Почвы агроэкологического стационара осушены регулярным гончарным дренажем с междренными расстояниями от 20 до 40 м. Агрохимическое обследование почв стационара проводилось в начале и конце исследований. Почва на южном склоне дерново-подзолистая слабооглеенная супесчаная, среднеслабосмытая на мощном двучлене, содержание гумуса составляло 2,92 %, Р2О5 – 727 и К2О – 238 мг/кг почвы, рН KCl – 5,81. Плоская вершина характеризуется дерново-подзолистой, преимущественно глееватой песчаной почвой на среднемощном двучлене, содержание гумуса составляет 2,69 %, Р2О5 – 439 и К2О – 292 мг/кг почвы, рН KCl – 5,36). На северном склоне почва дерново-подзолистая глееватая легко-среднесуглинистая на маломощном двучлене, содержание гумуса составляло 3,21 %, Р2О5 – 289 и К2О – 116 мг/кг почвы, рН KCl – 6,12. Удобрения за время наблюдений не вносились. Исследования проводили на плантациях козлятника восточного и травосмеси из 5 компонентов, состоящей из следующих видов многолетних трав:
1. Люцерна синегибридная сорта «Вега».
2. Клевер луговой «ВИК-7».
3. Тимофеевка луговая «Вик-9».
4. Овсяница луговая «ВИК-5».
5. Райграс пастбищный «ВИК-6».
Результаты исследований и их обсуждение
Природные условия склонов различной экспозиции конечно-моренного холма, ботанический состав посевов многолетних трав, сроки их использования оказывают существенное влияние на энергетический баланс агроэкосистемы. В табл. 1 показана потенциальная энергия почвы в виде энергетического эквивалента гумуса почвы на плантации козлятника восточного и посевов пятикомпонентной смеси многолетних трав в начале (1997) исследований и через 15 лет в 2011–2012 г.
Таблица 1
Потенциальный запас энергии гумуса в слое почвы 0–20 см агроландшафтного полигона, ГДж/га
|
Элементы рельефа |
Козлятник восточный |
Пятикомпонентная смесь многолетних трав |
||||
|
1998 г. |
2011 г. |
среднее |
1998 г. |
2012 г. |
среднее |
|
|
Южный склон |
2014,8 |
2228,7 |
2125,2 |
2014,8 |
1842,3 |
1932,0 |
|
Вершина холма |
1856,1 |
2166,6 |
2014,8 |
1856,1 |
1435,2 |
1649,1 |
|
Северный склон |
2214,9 |
2677,2 |
2449,5 |
2214,9 |
2256,3 |
2235,6 |
|
Среднее |
2028,6 |
2359,8 |
2194,2 |
2028,6 |
1842,3 |
1938,9 |
|
Доверительный интервал, ± ГДж/га |
0,2 |
0,3 |
0,2 |
0,2 |
0,2 |
0,1 |
Результаты исследований свидетельствуют, что в посевах козлятника восточного энергетический потенциал почвы за годы исследований повысился на 214 ГДж/га и в среднем был больше на 255 ГДж/га, чем в посевах пятикомпонентной смеси многолетних трав, причём на вершине холма энергии было больше на 366 ГДж/га, на северном склоне – на 214 ГДж/га, на южном склоне – на 193 ГДж/га. Следует отметить, что почвы под обоими видами многолетних трав обладают большей энергией на северном склоне, а меньшей – на вершине холма. Так, в посевах козлятника на северном склоне потенциальной энергии больше на 435 ГДж/га, а в посевах пятикомпонентной смеси на 586 ГДж/га.
Энергетический потенциал почвы во многом определяется количеством пожнивно-корневых остатков, образованных культурой. В табл. 2 представлены энергетические эквиваленты пожнивно-корневых остатков многолетних травостоев на агроландшафтном полигоне. Пожнивно-корневые остатки представляют собой оставшуюся после скашивания стерню, узел кущения многолетних трав и корни. Исследования показали, что энергетический потенциал пожнивно-корневых остатков у козлятника восточного на 97 ГДж/га больше, чем у пятикомпонентной смеси многолетних трав.
Таблица 2
Энергетический эквивалент массы пожнивно-корневых остатков агрофитоценозов многолетних трав на агроландшафтном полигоне, ГДж/га сухой массы
|
Элемент рельефа |
Козлятник восточный 1998–2011 гг |
Пятикомпонентная смесь многолетних трав 1998–2012 гг. |
|
Южный склон |
355,2 |
265,0 |
|
Вершина холма |
458,8 |
303,4 |
|
Северный склон |
333,0 |
284,2 |
|
Среднее |
381,1 |
284,2 |
|
Доверительный интервал, ± ГДж/га |
0,2 |
0,4 |
Необходимо отметить, что энергетический эквивалент органического вещества почвы на плантации козлятника восточного почти в 6 раз больше энергии пожнивно-корневых остатков, а в посевах трав более чем в 10 раз.
Экспозиции склонов оказали заметное влияние на энергетические характеристики агросистемы ландшафтного полигона. Данные табл. 2 свидетельствуют, что независимо от ботанического состава и срока пользования многолетним травостоем наибольший энергетический потенциал пожнивно-корневых остатков накапливается на вершине конечного моренного холма. Влияние экспозиции склонов на процесс накопления энергии во многом определяется свойствами травостоя. Так, козлятник восточный больше энергии после вершины холма накапливает на южном склоне, а посевы пятикомпонентной смеси многолетних трав – на северном склоне. Разница между северным и южным склоном составляет от 5 до 26 ГДж/га, причём, 26 ГДж/га – это разница в посевах козлятника восточного.
Энергия пожнивно-корневых остатков сельскохозяйственных культур является важным показателем функционирования агроэкосистем. Это приходная статья энергетических потоков агросистемы. На ее основе совместно с другими потоками энергии можно определить КПД системы.
Энергетический эквивалент урожайности многолетних травостоев является итоговым показателем функционирования агроэкосистемы. Он является статьей отчуждения (потери) энергии из агросистемы. Данные табл. 3 свидетельствуют о потере энергетического эквивалента системы в виде урожайности козлятника восточного и пятикомпонентной смеси многолетних трав к концу исследований. Энергия урожайности козлятника восточного выше, чем пятикомпонентной смеси многолетних трав, в среднем на 1,5 ГДж/га.
Наибольшее количество энергии урожая козлятника восточного формируется на вершине холма – на 19,5 ГДж/га больше, чем на южном склоне. Одной из причин является более развитая корневая система в этом местоположении, развитие которой, вероятно, определяется гидрологическими условиями эксперимента. Энергетический эквивалент урожайности пятикомпонентной смеси многолетних трав выше на северном склоне – на 31 ГДж/га больше, чем на южном склоне.
Таблица 3
Влияние элементов конечно-моренного холма на энергетический эквивалент урожайности многолетних травостоев, ГДж/га
|
Элементы рельефа |
Козлятник восточный |
Пятикомпонентная смесь многолетних трав |
||||
|
1998 г. |
2011 г. |
среднее |
1998 г. |
2012 г. |
среднее |
|
|
Южный склон |
102,0 |
130,2 |
117,2 |
110,9 |
103,4 |
107,2 |
|
Вершина холма |
141,1 |
130,2 |
136,7 |
126,0 |
112,8 |
120,3 |
|
Северный склон |
104,2 |
132,4 |
119,4 |
144,8 |
131,6 |
139,1 |
|
Среднее |
115,0 |
130,2 |
123,7 |
127,8 |
116,6 |
122,2 |
|
Доверительный интервал ±ГДж/га |
8,2 |
0,6 |
3,9 |
0,6 |
0,6 |
0,2 |
Таблица 4
Доля отчуждаемой энергии с урожаем из суммы энергии гумуса и пожнивно-корневых остатков, %
|
Элементы рельефа |
Посевы козлятника восточного |
Посевы пятикомпонентной смеси многолетних трав |
||||
|
1998 г. |
2011 г. |
среднее |
1998 г. |
2011 г. |
среднее |
|
|
Южный склон |
4,4 |
5,0 |
4,7 |
4,9 |
4,8 |
4,9 |
|
Вершина холма |
6,0 |
5,0 |
5,5 |
6,0 |
6,2 |
6,2 |
|
Северный склон |
4,1 |
4,4 |
4,3 |
5,9 |
5,1 |
5,5 |
|
Среднее |
4,8 |
4,7 |
4,8 |
5,6 |
5,4 |
5,5 |
Агроландшафтная система многолетних травостоев функционирует как термодинамическая система открытого типа, где устойчивость или стабильность её определяется энергетическим балансом. В настоящей работе не приводится поступление энергии солнца, потому что результаты ФАР по элементам конечно-моренного холма различаются незначительно.
Данные табл. 4 показывают, что наибольшее количество энергии с урожаем многолетних травостоев используется на вершине холма. Козлятник восточный по склонам больше расходует на южном склоне, а посевы пятикомпонентной смеси многолетних трав – на северном склоне. Устойчивое функционирование агроландшафтного полигона как экосистемы объясняется результатами табл. 4, где отчуждение энергии составляет в среднем 5,5 %. По нашим данным, отчуждение энергии более 30 % начинает отрицательно влиять на баланс органического вещества в агроэкосистеме.
Заключение
1. В посевах козлятника восточного энергетический потенциал почвы в среднем больше на 255 ГДж/га по сравнению с многолетними травами пятикомпонентной смеси. По элементам холма на вершине энергетический потенциал почвы под козлятником восточным больше на 366 ГДж/га, на северном склоне – на 214 ГДж/га, на южном склоне – на 193 ГДж/га, чем в многолетних травах пятикомпонентной смеси.
2. Энергетический потенциал пожнивно-корневых остатков у козлятника восточного на 97 ГДж/га больше, чем у пятикомпонентной смеси многолетних трав. Энергия пожнивно-корневых остатков на вершине холма выше, чем на других элементах, потому, что архитектоника посевов козлятника на вершине создала благоприятные условия для течения процесса фотосинтеза.
3. Наибольшее количество энергии урожая козлятника восточного формируется на вершине холма, что на 19,5 ГДж/га больше, чем на южном склоне. Одной из причин этого является более развитая корневая система на вершине холма. Энергетический эквивалент урожайности пятикомпонентной смеси многолетних трав выше на северном склоне, что на 31 ГДж/га больше, чем на южном склоне.
4. Наибольшее количество энергии с урожаем многолетних травостоев отчуждается на вершине холма. Козлятник восточный по склонам больше расходует на южном склоне, а посевы пятикомпонентной смеси многолетних трав – на северном склоне.
5. Предлагается многолетние травостои с козлятником восточным, люцерной синегибридной использовать в выводных полях не менее 10 лет.