Интенсивное длительное использование земель сельскохозяйственного назначения и активность эрозионных процессов в агроландшафте привели к заметным потерям плодородия. Восстановление таких почв – процесс очень длительный. Один из основных приемов восстановления плодородия деградированных почв – перевод пашни из интенсивного использования в залежное состояние.
Ежегодное поступление отмирающей органики в почву формирующейся под естественным травостоем залежной пашни постепенно восстанавливает уровень ее плодородия [1].
Индикаторами состояния почвы по уровню плодородия, наряду с уровнем ежегодной урожайности биомассы, являются содержание в почве минерального азота, подвижные формы фосфора [1, 2].
Цель исследования: изучить динамику формирования элементов эффективного плодородия под различными растительными ценозами агроландшафта, продуктивность полевых ценозов на примере яровой пшеницы в условиях зернопарового и зернотравяного севооборотов и экстенсивно используемой в агроландшафте залежи и целины в зависимости от погодных условий и применяемых удобрений.
Материалы и методы исследования
Исследования проводились на полях ФГБНУ «НИИСХ Юго-Востока» на черноземе южном малогумусном маломощном глинистом. Яровая пшеница возделывалась в двух 6-польных севооборотах: зернопаровой (пар, озимая пшеница, яровая пшеница, просо, 2 года яровая пшеница) и зернотравяной (3 года многолетние травы, 3 года яровая пшеница). Для сравнения использовались залежный ценоз с возрастом 35 лет и целина. Делянки с удобрениями располагались в один ярус. В первом повторении размещение делянок последовательное, в последующих повторениях – рендомизированное. Учетная площадь одной делянки составляет 100 м2. Схема опыта включала в себя 3 варианта в 3-кратной повторности. Исследования проводились в полевых условиях по фенологическим фазам яровой пшеницы (кущение, колошение, полная спелость), залежного и целинного ценозов – в фазу массового цветения. По слоям через 10 см до 1 м проводилось определение содержания подвижной формы фосфора (в 1 %-ной углеаммонийной вытяжке по Мачигину ГОСТ 2625-91), минерального азота (по ГОСТ 26423-85). Продуктивность растительного ценоза определяли методом укосов с пересчетом на абсолютно сухую массу (16 %), зерна – учетом биологической урожайности на корню с пересчетом на влажность 14 %. Сорт яровой мягкой пшеницы «Воевода», технология возделывания – общепринятая.
Результаты исследования и их обсуждение
Изучаемый агроландшафт представлен основными элементами растительной структуры, интенсивно использованной под полевые севообороты пашней, залежью и целиной. Активность процессов формирования почвенного плодородия в агроландшафте определяется прежде всего долей интенсивно использованной в агроландшафте пашни. Залежь и целина играют роль восстановителей почвенного плодородия. Наряду с пополнением органического вещества основная роль фитоценозов в агроландшафте – это борьба с эрозией и деградацией почвы [3].
При длительном возделывании яровой пшеницы в севообороте важную роль в формировании ее урожайности играют почвенно-экологические условия и прежде всего уровень обеспеченности и соотношения между основными элементами почвенного плодородия, запас влаги в почве [4, 5].
В ходе исследований проведен анализ процессов формирования потенциального плодородия основных растительных систем в агроландшафте. С учетом гидротермического коэффициента (ГТК) вегетационного периода были выделены 3 погодных типа – засушливый (2012 г.), увлажненный (2013 г.) и влажный (2017 г.). В засушливом году ГТК за период вегетации яровой пшеницы составил 0,4, что по классификации означает «сильная засуха». В этот год после окончания снеготаяния суммарный запас продуктивной влаги метрового слоя почвы под пшеницей достиг 207,7 мм, но в условиях острой засухи за один месяц (с апреля по май) уменьшился на 42 %, а в пахотном слое (0–30 см) – на 75,2 %. В фазу кущения яровой пшеницы запас продуктивной влаги метрового слоя уменьшился в 2 раза (до 104 мм). Минимальное содержание влаги находилось в слое 0–40 см. К фазе колошения яровой пшеницы запасы продуктивной влаги метрового слоя почвы по сравнению с предыдущей фазой уменьшились на 39 %. Наиболее активно продуктивная влага использовалась из слоя почвы 60–100 см. За время между фазами колошения и полной спелости отмечалось повторное обострение засухи. К фазе полной спелости запас продуктивной влаги уменьшился по сравнению с фазой колошения на 7,3 %.
Растениям для своего развития, наряду с влагой, требуется комплекс питательных элементов.
В питании растений большую роль играют подвижные и легкоусвояемые формы азота, количество которых в почве очень перманентно.
В фазу кущения яровой пшеницы в почвенном слое 0–50 см нитратного азота содержалось 7,1 мг/кг. Концентрация азота происходила в верхнем (0–10 см) слое почвы. Колошение отмечается снижением содержания нитратного азота, по сравнению с фазой кущения на 20,5 %. По окончании колошения азот уже почти не усваивался из почвы, что, возможно, связано с процессом реутилизации азота самим растением.
Доступный для питания растений фосфор находится в почве в форме легкорастворимых фосфатов. В фазу кущения яровой пшеницы содержание подвижного фосфора составило 19,2 мг/кг. Период колошения характеризуется снижением содержания фосфора на 24 %, что объясняется максимальным расходованием его на формирование вегетативной массы. В фазу спелости отмечается увеличение содержания фосфора в почве до 19,2 мг/кг за счет низкого использования его растениями.
Вегетативная масса растений на момент кущения составила 0,29 т/га. С увеличением в фазу колошения на 70,4 % и в фазу спелости еще на 61 %, что составило 0,80 т/га. Отмечена высокая отрицательная корреляционная зависимость массы растений с содержанием нитратного азота в почве (r = –0,86), а с содержанием подвижного фосфора – низкая (r = 0,23).
В увлажненный тип погоды (ГТК = 1,1) запас продуктивной влаги в фазу кущения составил 167,5 мм. Иссушения пахотного горизонта не происходило. Минимальное содержание влаги отмечалось на глубине 50–70 см. Период фазы колошения характеризовался экстремально влажными погодными условиями с суммой осадков 239,5 мм. Запасы влаги метрового слоя увеличились на 43 %. За время между фазами колошения и полной спелости отмечалась слабая засуха (ГТК = 0,6), но выпавшие в предшествующий период осадки позволяли растениям развиваться в нормальном режиме. Запас продуктивной влаги уменьшился по сравнению с фазой колошения на 56 %.
Состояние минерального азота в почве находится под влиянием погодных условий [4]. Распределение азота по фазам вегетации растений по гумусовому слою было равномерным и в фазу кущения составляло в среднем 9,0 мг/кг. К фенологической фазе колошения содержание азота в почве снизилось на 37,8 %. Наиболее высокое расходование нитратного азота отмечено в фазу полной спелости – 54,2 %, что связано с выносом его яровой пшеницей. На распределение подвижного фосфора по фазам вегетации яровой пшеницы погодные условия не оказали заметного влияния. Максимальное содержание отмечалось в период кущения (11,3 мг/кг), затем происходило его снижение в фазу колошения и полной спелости (7,2 и 7,8 мг/кг) соответственно (НСР0,05 = 0,3).
При ГТК = 1,4 за период кущения суммарный запас влаги составил 222,4 мм. Учет запасов влаги в фазу колошения показал, что расход влаги из почвенного профиля составлял 4,95 % в сравнении с предыдущей фазой. Заметного снижения уровня продуктивной влаги не отмечается вследствие частого выпадения атмосферных осадков, питавших почвенные горизонты. По результатам данных последнего периода вегетации наглядно видно действие растений на использование почвенной влаги. Наблюдается заметное расходование почвенной влаги 26,7 % (154,9 мм), что составляет относительно предыдущей фазы 56,5 мм.
Содержание нитратного азота в фазу кущения составляло всего 1,2 мг/кг. В фазу колошения отмечается увеличение нитратного азота на 77,2 %, и к моменту уборки расход нитратного азота в почве составляет более 70 % от содержания в предыдущей фазе.
Изменение содержания подвижного фосфора по фазам вегетации во влажные годы (ГТК = 1,4) проходило в сторону увеличения от кущения до полной спелости. Увеличение содержания фосфора за период вегетации яровой пшеницы составляет 97,7 %, что связано с увеличением температуры окружающей среды и лучшим прогреванием почвы.
Исследованиями подтверждено, что форма использования пашни оказала существенное влияние на содержание основных элементов питания (табл. 1).
По результатам наблюдений, растения на зернотравяном севообороте, из-за более высокого уровня плодородия почвы, всегда развиваются лучше, чем на зернопаровом севообороте, что сказывается на степени усвоения питательных элементов для формирования продуктивности.
Исследования показали, что по содержанию нитратного азота в среднем по горизонтам почвы наименьшее значение принадлежит целинному ценозу (1 мг/кг). В естественных ценозах преобладают формы аммонийного азота, что связано с действием температуры и условий увлажнения, которые более благоприятны для процесса аммонификации. Соотношение между нитратной и аммонийной формами азота в почве под пашней равнялось 4, а под фитоценозами 0,48 (залежь) и 0,44 (целина). На обрабатываемых землях минимальное содержание нитратного азота отмечено на зернопаровом севообороте (3 мг/кг). Благодаря действию удобрений, содержание его увеличивается на 17,8 %. При включении в севооборот многолетних трав содержание азота увеличивается на 36,1 %, и на 43,8 % на удобренном варианте.
Таблица 1
Содержание питательных элементов в почве при различном ее использовании на разных дозах удобрений в среднем за период исследований в метровом слое, мг/кг
|
Питательный элемент, мг/кг |
Почвенные горизонты |
Вид сельскохозяйственного использования почвы |
|||||||||||
|
Зернопаровой севооборот |
Зернотравяной севооборот |
Целина |
Залежь 35 лет |
||||||||||
|
Б/у |
N60 |
Б/у |
N60 |
Б/у |
N60 |
Б/у |
N60 |
||||||
|
N-NO3 |
Гор. А |
4,7 |
6,7 |
4,7 |
7,5 |
1,6 |
2,4 |
0,8 |
1,5 |
||||
|
Гор. В |
2,1 |
2,2 |
3,2 |
4,8 |
0,7 |
1,2 |
2,4 |
2,7 |
|||||
|
Гор. С |
2,0 |
2,0 |
5,1 |
5,6 |
0,5 |
0,7 |
3,9 |
3,9 |
|||||
|
Среднее по горизонтам |
А+В+С |
3,0 |
3,6 |
4,3 |
5,9 |
1,0 |
1,4 |
2,4 |
2,7 |
||||
|
P2O5 |
Гор. А |
10,8 |
11,1 |
19,5 |
23,9 |
18,3 |
20,1 |
44,0 |
45,8 |
||||
|
Гор. В |
1,3 |
2,3 |
3,1 |
4,1 |
2,3 |
2,7 |
19,2 |
22,1 |
|||||
|
Гор. С |
2,1 |
0,8 |
2,3 |
1,4 |
1,9 |
2,1 |
11,2 |
14,6 |
|||||
|
Среднее по горизонтам |
А+В+С |
4,7 |
4,7 |
8,3 |
9,8 |
7,5 |
8,3 |
24,8 |
27,5 |
||||
|
Статистическая обработка по N-NO3 |
|||||||||||||
|
Факторы |
НСР 0,05 |
Fтеор. |
Fфакт. |
||||||||||
|
А (угодье) |
0,4 |
3,0 |
160,3* |
||||||||||
|
В (горизонты) |
0,3 |
3,4 |
28,8* |
||||||||||
|
С (удобрение) |
0,3 |
4,3 |
7,6* |
||||||||||
|
Статистическая обработка по P2O5 |
|||||||||||||
|
Факторы |
НСР 0,05 |
Fтеор. |
Fфакт. |
||||||||||
|
А (угодье) |
0,4 |
3,0 |
4807,4* |
||||||||||
|
В (горизонты) |
0,3 |
3,4 |
1655,9* |
||||||||||
|
С (удобрение) |
0,3 |
4,3 |
8,4* |
||||||||||
Таблица 2
Продуктивность агробиоценозов, т з.ед/га
|
ГТК |
Угодья |
|||||||||||
|
Целина |
Залежь 35 лет |
Пашня (яр. пшеница в среднем по двум севооборотам) |
||||||||||
|
Б/у |
N30 |
N60 |
Б/у |
N30 |
N60 |
Б/у |
N30 |
N60 |
||||
|
0,4 |
0,31 |
0,35 |
0,56 |
1,00 |
1,48 |
1,84 |
0,80 |
0,85 |
1,09 |
|||
|
1,1 |
1,19 |
1,77 |
2,38 |
1,33 |
2,12 |
2,71 |
1,55 |
2,03 |
2,65 |
|||
|
1,4 |
2,10 |
2,15 |
2,70 |
3,05 |
3,45 |
3,55 |
1,94 |
2,75 |
2,95 |
|||
|
Среднее значение |
1,20 |
1,42 |
1,88 |
1,79 |
2,35 |
2,70 |
1,43 |
1,88 |
2,23 |
|||
|
Статистическая обработка данных |
||||||||||||
|
Факторы |
НСР 0,05 |
Fтеор. |
Fфакт. |
|||||||||
|
А (агробиоценоз) |
0,23 |
3,18 |
128,75* |
|||||||||
|
В (удобрение) |
0,23 |
3,18 |
23,62* |
|||||||||
|
С (годы) |
0,23 |
3,18 |
24,38* |
|||||||||
На залежных землях содержание нитратного азота в среднем по профилю на 35 % меньше, чем на зернопаровом, и на 51 % меньше, чем на зернотравяном севооборотах. Целинные земли оказались еще менее обогащены нитратным азотом, чем залежные.
В среднем в метровом слое почвы содержание доступного фосфора под залежью было в 3,5 раза выше, чем под остальными видами использования пашни. Наименьшее содержание отмечено в почвах зернопарового севооборота. На удобренном варианте зернотравяного севооборота отмечается увеличение подвижного фосфора на 15,7 %, что является наибольшим значением на двух севооборотах.
Под исследуемые фитоценозы для интенсификации процессов почвообразования вносились 2 дозы азотного удобрения (аммиачная селитра) из расчета: 30 и 60 кг/га (табл. 2).
На целине и залежи удобрения вносились в период отрастания трав, а под яровую пшеницу – под предпосевную культивацию.
Максимальное эффективное действие азотных удобрений отмечалось на необрабатываемых фонах в годы с ГТК = 0,4 и 1,1. Внесение N30 по сравнению с неудобренным вариантом позволило увеличить урожайность залежного ценоза на 48 % при ГТК = 0,4 и на 59,4 % при ГТК = 1,1, а целинного ценоза на 12,9 % и 48,7 % соответственно. На пашне в эти годы уровень продуктивности, на варианте с внесением 30 кг д.в. аммиачной селитры, значительно уступал другим изучаемым угодьям. По сравнению с неудобренным контролем эффективность доз вносимых удобрений составила 6,25 % и 31 %.
Во влажный год (ГТК = 1,4) действие N30 увеличило продуктивность пашни на 41,8 %, залежи на 16,4 % и целины на 28,6 %.
По сравнению с N30 внесение двойной дозы азотного удобрения (N60), в среднем по всем сельскохозяйственным фонам и годам, способствовало росту продуктивности на 116 %. Наиболее эффективно двойная доза работала под залежью 35 лет. Прибавка продуктивности от двойной дозы по сравнению с одинарной составила в сухой год – 84 %, в увлажненный – 103,8 %. В условиях хорошего увлажнения (ГТК = 1,4) максимальный эффект от использования удобрений дает обрабатываемая пашня, в то время как при засушливых условиях (ГТК = 0,4–1,1) наибольшую прибавку дают фитоценозы, за счет созданного микроклимата, где почвенный профиль не пересыхает, а плотный растительный слой не дает почвенной влаге испаряться.
Выводы
Исследованиями подтверждено, что вид использования почвы в агроландшафте оказал существенное влияние на содержание основных элементов питания. На залежных землях содержание нитратного азота в среднем по профилю на 35 % меньше, чем на зернопаровом, и на 51 % меньше, чем на зернотравяном севооборотах. Целинные земли оказались еще менее обогащены нитратным азотом, чем залежные. Снижение содержания азота на ненарушенных механическими обработками почвах связано с агрофизическими свойствами почвы и высоким уровнем дифференциации размещения органических остатков по гумусовому профилю почвы.
Установлена зависимость уровня продуктивности от способа использования почвы, условий произрастания и влияния удобрений. По всем годам исследований залежные ценозы отличались высокой продуктивностью (2,28 т з.ед/га), целинные – минимальной (1,5 т з.ед/га). Пашня занимала промежуточное положение между соответствующими показателями целины и залежи (1,85 т з.ед/га).
Максимальное эффективное действие по двум дозам (N30 и N60) азотных удобрений отмечалось на необрабатываемых фонах при ГТК = 0,4–1,1. Прибавка продуктивности для залежи составила 53,7 % (N30) и 92 % (N60), для целины 30,8 % (N30) и 72,3 % (N60), Однако при ГТК = 1,4 большая отзывчивость на вносимые удобрения оказалась на пашне 41,8 % (N30) и 52,1 % (N60).