Основным критерием повышения плодородия почв и производства сельскохозяйственной продукции является сохранение и увеличение запасов почвенного органического углерода. Для достижения этого необходим переход к углерод-сберегающему и углерод-восстановительному земледелию. Этим обеспечивается и смягчение изменений климата за счет уменьшения концентрации парниковых газов в атмосфере.
Международная и отечественная практика сельскохозяйственного производства накопила огромный опыт по регулированию в почвах содержания органического углерода [1–4]. Среди основных мероприятий предлагают: минимизацию обработок почвы, внесение органических удобрений, сокращение паров, применение севооборотов с возделыванием многолетних трав, а также агролесомелиорацию или строительство живых изгородей и буферных лесных полос. Перечисленные подходы по сохранению и увеличению содержания органического углерода в пахотных почвах могут выступать в качестве ближайшей задачи международной инициативы «4 промилле» по смягчению изменений климата в России [5].
На пахотных серых лесных почвах Нечерноземья ежегодная минерализация органического вещества под различными группами сельскохозяйственных культур, рассчитанная на основании выноса ими почвенного азота и скорректированная данными отечественных и зарубежных длительных опытов, составляет (т/га): под зерновыми культурами 0,5–1,0, пропашными 1,5–2,5, чистым паром 2–3,5. Однако эти усредненные данные не учитывают генетических особенностей серых лесных почв Владимирского ополья и влияния применяемых удобрений, погодных условий.
Цель исследования: оценить возможность управления балансом органического углерода пахотных серых лесных почв путем оптимизации систем удобрения.
Материалы и методы исследования
Объектами исследования были взяты длительные стационарные полевые опыты, заложенные на серой лесной почве Владимирского ополья на территории Владимирского НИИСХ. В геоморфологическом отношении Ополье представляет собой средневысотную междуречную равнину, перекрытую чехлом лессовидных суглинков, расчлененную густой овражно-балочной сетью. Территория характеризуется умеренно теплым летом, умеренно-холодной зимой и хорошо выраженными осенними и весенними сезонами.
Исследуемый полевой опыт (агроландшафт), заложенный в 1996 г., обладает высоким производственно-технологическим разнообразием (рисунок). Варианты опыта различаются системами обработки почвы (4) и удобрения (4), культурами разного уровня интенсификации 6-польных сево- оборотов.
Сбор данных выполнялся по регулярной сетке с шагом 7 м. Содержание углерода в слое 0–20 см почвы определяли по методу И.В. Тюрина. Урожайность учитывалась парцеллярным способом (по 3 парцеллы с 1 м2 на пробной площадке) на ячмене и яровой пшенице.
В опыте изучали 4 уровня применения минеральных удобрений:
1) нулевой (экстенсивный) – без минеральных удобрений;
2) поддерживающий (нормальный) – N30P30K30;
3) интенсивный – N60P60K60;
4) высокоинтенсивный – N90P90K90.
В схеме опыта было предусмотрено применение различных доз органических удобрений (подстилочный навоз в дозах 40, 60 и 80 т/га за севооборот). Нами оценено применение 40 т/га навоза за севооборот.
На основе данных по урожайности культур рассчитывался баланс органического вещества в почве (в пересчете на углерод). Он выполнялся по методике, предложенной в работах [6]. Детализация приходно-расходных статей баланса сделана на основе рекомендаций Крылатова и др. (1998) [6]. Расчеты выполнены при возделывании культур на серой лесной почве на фоне отвальной (общепринятой) обработки почвы.
В другом стационарном полевом опыте, заложенном в 1991–1993 гг. [7], также изучали влияние различных систем удобрения на изменение гумусового состояния серых лесных почв Ополья. При этом содержание и изменение гумуса оценивали непосредственным определением по методу И.В. Тюрина.
В 1-й ротации 8-польного зернотравяно-пропашного севооборота провели известкование по полной гидролитической кислотности (5 т/га известняковой муки). Во 2-й и 3-й ротациях изучали последействие известкования.
Результаты исследования и их обсуждение
Баланс углерода под ячменем варьировал от –0,80 до 0,05 т/га. Отрицательный баланс углерода (–0,80 т/га) отмечен на нулевом фоне применения минеральных удобрений (табл. 1). Его значения определялись незначительными размерами приходных статей баланса, включая относительно небольшое накопление углерода за счет гумификации корневых остатков (0,32 т/га) и поступающих пожнивных остатков (0,11 т/га). За счет измельченной и разбрасываемой соломы накопление углерода составило (0,67 т/га). На фоне перечисленных низких показателей приходных статей баланса углерода выявлены высокие размеры минерализации органического вещества почвы (1,90 т/га углерода). Они вызваны высокой урожайностью ячменя (5,45 т/га зерна), в несколько раз превышающей среднюю урожайность по стране, при отсутствии внесения минеральных удобрений, в первую очередь азотных.
Схема 1-й повторности стационарного полевого опыта
Таблица 1
Эффективность влияния удобрений на структуры баланса углерода
|
Урожай зерна, т/га |
Удобрения |
Баланс углерода, т/га |
Минерализация, т/га |
Запасы углерода, т/га |
Гумификация пожнивных остатков, т/га |
Гумификация корневых остатков, т/га |
Гумификация соломы, т/га |
|
Почва – серая лесная, культура – ячмень, обработка почвы – отвальная |
|||||||
|
5,45 |
– |
–0,80 |
1,90 |
Не опр. |
0,11 |
0,32 |
0,67 |
|
5,27 |
N30P30K30 |
–0,02 |
1,10 |
0,11 |
0,32 |
0,65 |
|
|
5,89 |
N90P90K90 |
0,04 |
1,13 |
0,12 |
0,34 |
0,71 |
|
|
5,44 |
N60P60K60 |
0,05 |
1,04 |
0,11 |
0,32 |
0,66 |
|
|
Почва – серая лесная, культура – яровая пшеница, обработка почвы – отвальная |
|||||||
|
1,93 |
Навоз 40 т. |
1,08 |
0,94 |
41,4 |
0,08 |
0,19 |
0,35 |
|
2,06 |
Навоз 40 т. + N40 |
1,41 |
0,60 |
42,7 |
0,08 |
0,20 |
0,33 |
|
2,27 |
Навоз 40 т. + N60 |
1,41 |
0,61 |
42,1 |
0,09 |
0,21 |
0,32 |
|
2,35 |
N90P90K90 |
0,04 |
0,63 |
39,5 |
0,09 |
0,22 |
0,36 |
|
2,53 |
N120P120K120 |
0,01 |
0,68 |
39,2 |
0,09 |
0,23 |
0,37 |
Баланс углерода с применением минеральных удобрений N30P30K30, N60P60K60, N90P90K90 колебался в пределах нулевых значений (от –0,02 до 0,05 т/га). Приходные статьи баланса также особо не различались между собой. Накопление углерода варьировало за счет гумификации корневых остатков в пределах (0,32–0,34 т/га), пожнивных остатков – (0,1–0,12 т/га) и гумификации соломы – (0,65–0,71 т/га). Значения минерализации органического вещества почвы значительно уменьшились (на 40 %) в сравнении с нулевым фоном применения удобрений и варьировали в пределах (1,04–1,13 т/га), что объясняет важную роль применения минеральных азотных удобрений в достижении нулевого положительного баланса углерода в почве. Основная роль минеральных удобрений заключалась в снижении размеров минерализации органического вещества почвы при формировании урожая сельскохозяйственных культур. Также выявлено оптимальное количество применяемых минеральных удобрений на поддерживающем фоне (N30P30K30), при котором сохраняются высокие значения урожая культуры ячменя (5,27 т/га) и нулевой баланс углерода.
Стоит отметить, что с увеличением доз применяемых минеральных удобрений не наблюдали значительных изменений в количестве накапливаемого углерода за счет гумификации растительных остатков (корневые и пожнивные остатки, солома).
Баланс углерода под яровой пшеницей, идущей по унавоженному черному пару (40 т/га), колебался от 1,08 до 1,41 т/га. Приходные статьи баланса углерода в зависимости от применяемых систем удобрения значительно не различались между собой. Они составляли: гумификация корневых остатков (0,19–0,21 т/га), пожнивных остатков (0,08–0,09 т/га), соломы (0,32–0,35 т/га).
Значения минерализации органического вещества без применения удобрений составили 0,94 т/га углерода, что значительно выше (на 30 %), чем при их внесении (0,60–0,68 т/га С). Снижение урожайности яровой пшеницы по сравнению с ячменем с 5,45 до 1,93 т/га зерна уменьшило размеры минерализации органического вещества почвы (с 1,90 до 0,94 т/га С). Под яровую пшеницу было внесено 40 т/га подстилочного навоза, что обеспечивало накопление 1,4 т/га углерода. В итоге баланс углерода в этом варианте составил 1,08 т/га.
На поддерживающем фоне применения удобрений внесение 40 т/га с N40аммиачной селитры привело к значительному снижению минерализации органического вещества почвы (с 0,94 до 0,60 т/га углерода), обеспечив положительный баланс углерода (1,41 т/га).
На высокоинтенсивных фонах при внесении минеральных удобрений в дозах N90P90K90и N120P120K120произошло существенное увеличение урожайности зерна яровой пшеницы (с 1,93 до 2,53 т/га). Минерализация органического вещества почвы снизилась с 0,94 до 0,63 т/га углерода. Однако без внесения органических удобрений баланс углерода в опыте был близок к нулевому (0,01–0,04 т/га).
В пахотном слое серой лесной почвы 0–20 см запасы углерода варьировали от 39,2 до 42,7 т/га, что свидетельствует о высоком потенциальном плодородии этих почв. Наблюдается тенденция их увеличения при органоминеральных системах удобрения.
Полученные расчетные данные баланса углерода органического вещества подтверждаются результатами исследований в длительном полевом стационарном опыте Владимирского НИИСХ (ФГБНУ «Верхневолжский ФАНЦ») [7–9]. В нем влияние различных систем удобрения за 15-летний период наблюдений на состояние гумуса изучали непосредственным его определением (табл. 2).
Таблица 2
Изменение содержания ОВ в 2013–2014 гг. по сравнению с 1998–1999 гг. на фоне последействия известкования, % (поля 1 и 2, ячмень) [8]
|
Доза навоза за севооборот, т/га |
Минеральные удобрения |
Среднее по органическим удобрениям, НСР05 = 0,020 % |
|||
|
0 |
РК |
NPK |
2NPK |
||
|
0 |
–0,180 |
–0,130 |
–0,055 |
0,020 |
–0,086 |
|
40 |
–0,080 |
–0,080 |
0,050 |
0,080 |
–0,008 |
|
60 |
–0,015 |
–0,005 |
0,070 |
0,110 |
0,040 |
|
80 |
0,065 |
0,070 |
0,100 |
0,120 |
0,089 |
|
Среднее по минера-льным удобрениям, НСР05 = 0,020 % |
–0,052 |
–0,036 |
0,041 |
0,082 |
|
Видно, что без применения минеральных удобрений в период относительной стабилизации органического вещества его содержание в пахотном слое 0–20 см за 15 лет уменьшилось на 0,180 % (4,68 т/га гумуса) или 2,72 т/га углерода. Объемная масса серой лесной почвы 1,30 г/см3. Фосфорно-калийное удобрение P34-42K34-42уменьшало размеры снижения гумуса на 27,8, а полное минеральное удобрение (N43-48P34-42K34-42) – на 69,4 % (до –0,055 %). При использовании двойной дозы NPK баланс гумуса был близок к нулевому значению.
Применение 40 т/га подстилочного навоза за ротацию севооборота и сочетание его с фосфорно-калийными удобрениями не обеспечивало положительный баланс гумуса. Лишь при сочетании 40 т/га навоза за ротацию с применением одинарной и двойной доз полного минерального удобрения наблюдали положительный баланс органического вещества (0,050–0,080 % гумуса).
Близкий к нулевому значению баланс органического вещества и углерода получен при использовании 60 т/га подстилочного навоза за ротацию севооборота и сочетания его с фосфорно-калийными удобрениями (снижение содержания гумуса от –0,015 до –0,005 % от исходного). Применение за ротацию 80 т/га подстилочного навоза увеличивало содержание гумуса на 0,065 % от исходной величины, а сочетания 60 и 80 т/га его с одинарной и двойной дозами полного минерального удобрения – на 0,070–0,120 % (или на 1,06–1,81 т/га С).
На фоне внесения 4-х доз органических удобрений (0, 40, 60 и 80 т/га за ротацию 7- и 8-польных севооборотов) применение одинарной дозы NPK обеспечивало положительный баланс гумуса 0,041 %, а двойной дозы NPK – на 0,082 %. На фоне применения 4-х доз минеральных удобрений (0, РК, NPK и 2NPK) подстилочный навоз в дозах 60 и 80 т/га увеличивал содержание гумуса соответственно на 0,040 и 0,089 % от исходного значения.
В отношении сохранения и повышения содержания органического углерода и повышения окупаемости элементов питания удобрений [7] наиболее эффективны органоминеральные системы удобрения при сочетании одинарной дозы NPK (N43-48P34-42K34-42) с 40–80 т/га подстилочного навоза за ротацию 7- и 8-польных зернотравяных и зернотравяно-пропашных севооборотов.
Выводы
В многолетнем стационарном опыте изучено влияние систем удобрения на приходные и расходные статьи баланса углерода в серых лесных почвах Владимирского ополья. На контроле (без применения удобрений) под ячменем установлен отрицательный баланс углерода. Он обусловлен высокой минерализацией органического вещества почвы (1,90 т/га С) при получении урожая зерна ячменя 5,45 т/га. Применение полного минерального удобрения под ячмень в дозе N30P30K30 по сравнению с контролем позволяло снизить размеры отрицательного баланса углерода с –0,80 до –0,02 т/га. Дальнейший рост доз NPK до N60-90P60-90K60-90 обеспечивал положительный расчетный баланс органического вещества серых лесных почв.
В первый год при внесении органических удобрений в дозе 40 т/га навоза под яровую пшеницу расчетное накопление углерода органического вещества составило 1,08 т/га, при сочетании их с N40-60 – до 1,41 т/га.
За две ротации 7- и 8-польных зернотравяного и зернотравяно-пропашного севооборотов одни минеральные удобрения в дозах (N43-48P34-42K34-42) и одни органические удобрения в дозе 40 т/га навоза за севооборот не обеспечивали положительный баланс гумуса. При двойной дозе NPK, сочетании органических удобрений (40, 60 и 80 т/га за севооборот) с одинарной дозой NPK наблюдали положительный баланс углерода. Органоминеральные системы удобрения являются наиболее эффективными в накоплении органического вещества в серых лесных почвах Ополья.