Содержание углерода в пахотных почвах – один из главных показателей их плодородия. Общеизвестно, что экстенсивное сельскохозяйственное производство приводит к снижению содержания углерода и обусловливает снижение запасов питательных веществ, ухудшает водный режим, эрозионную устойчивость почв и др. Увеличение запасов углерода является первостепенной задачей при переходе к углерод восстановительному и углерод сберегающему землепользованию, а также важнейшим условием устойчивого сельскохозяйственного производства [1].
Отечественная практика сельскохозяйственного производства накопила большой опыт по регулированию содержания органического вещества (ОВ) в пахотных почвах. Наиболее заметными подходами являются улучшение управления пахотными землями, включая восстановление деградированных земель и создание высокопродуктивных почв [2].
Среди основных подходов сбережения или увеличения запасов углерода в почвах на пахотных землях называют минимизацию обработок почвы, внесение органического вещества, применение корректирующих севооборотов с включением многолетних бобовых трав и сокращением периодов паров, объединение различных культур на одной и той же территории, а также агролесомелиорацию или строительство живых изгородей и лесных буферов в сельскохозяйственных ландшафтах [3]. Современные методы сельскохозяйственного мониторинга плодородия почв, земель сельскохозяйственного назначения анализируют среднюю величину изменчивости содержания углерода под действием различных доз удобрений и систем обработки почвы. Практические рекомендации, построенные на использовании средних величин запасов углерода, приводят к неодновременному развитию и созреванию урожая, неэффективному расходованию средств химизации, механизации и др.
Цель исследования: изучить возможности управления накоплением органического углерода в условиях почвенной неоднородности серых лесных пахотных почв.
Материалы и методы исследования
Исследования провели в многолетнем стационарном опыте, заложенном в 1996 гг. в четвертой ротации шестипольного сево- оборота:
1) овес + многолетние травы;
2) многолетние травы 1 г.п.;
3) многолетние травы 2 г.п.;
4) ячмень;
5) черный пар;
6) озимая пшеница на овсе и многолетних травах 1 и 2 г.п. в 2015–2017 гг.
Овес возделывали без внесения минеральных удобрений и с внесением минеральных удобрений под предпосевную культивацию в дозе N30P30K30. На многолетних травах 1 г.п. удобрения не вносили, на травах 2 г.п. вносили азотную подкормку в дозе N40.
Исследования провели на четырёх системах основной обработки почвы:
1) общепринятой отвальной, включающую ежегодную вспашку плугом ПЛН-5-35 на 20–22 см под все культуры;
2) комбинированно-энергосберегающей, включающей мелкую безотвальную обработку КПС-4 на 10–12 см под овес, черный пар, озимую пшеницу и вспашку плугом ПЛН-5-35 на 20–22 см многолетних трав 2 г.п.;
3) комбинированно-ярусной, включающей мелкую безотвальную обработку КПС-4 на 10–12 см под овес, черный пар, ярусную вспашку плугом ПЯ – 3-35 на 25–27 см многолетних трав 2 г.п. и вспашку плугом ПЛН-5-35 на 20–22 см под озимую пшеницу;
4) противоэрозионной, включающей глубокую безотвальную обработку КПГ-250 на 25–27 см под овес, черный пар и озимую пшеницу, вспашку плугом ПЛН-5-35 на 20–22 см многолетних трав 2 г.п.
Почвенное обследование полевого опыта осуществлялось по регулярной сетке с шагом 7 м (всего 120 точек опробования).
Во всех точках отбирались образцы из пахотного и подпахотного горизонтов, с глубин 0–20 и 20–40 см.
Опыт закладывался в четырехкратной повторности. Площадь делянки 140 м2, учетная площадь 21 м2.
Почвы Владимирского ополья представляют собой контрастные почвенные комплексы, представленные типичными серыми лесными почвами разной степени оподзоленности и серыми лесными со вторым гумусовым горизонтом. Генезис этих почв происходил в разных условиях. Серые лесные типичные почвы формировались в условиях микроповышений, а серые лесные со вторым гумусовым горизонтом – в условиях микропонижений и высокого уровня увлажнения.
Характерной чертой почвенного покрова является полигонально-блочный микрорельеф [4]. Однако в результате длительного сельскохозяйственного использования микрорельеф был выровнен, тем не менее он четко виден на аэрофотоснимках (рис. 1).
Комплексность почвенного покрова особенно заметна, когда почва сильно увлажнена и почвы со вторым гумусовым горизонтом, содержащие больше гумуса, окрашены в более темные тона.
Комплексность почвенного покрова хорошо видна на почвенной карте, где на участке площадью 3 га представлено 6 почвенных разностей (рис. 2).
Рис. 1. Фотография опытного стационара (аэрофотосъемка). На пашне (на фото справа) ясно выделяются серые лесные почвы и почвы со вторым гумусовым горизонтом
Рис. 2. Почвенная карта опытного стационара (М. 1:2000)
На основе данных урожайности культур рассчитывался баланс ОВ в почве (в пересчете на углерод по И.В. Тюрину). Баланс ОВ рассчитывался на основе методических указаний [5].
Большую часть площади опытного участка занимают серые лесные неоподзоленные почвы и различной степени оподзоленности. Около 21 % территории участка – серые лесные среднеоподзоленные почвы со вторым гумусовым горизонтом. Сильно оподзоленная и остаточно-карбонатная почвы занимают фрагментарное распространение площадью менее 5 %, поэтому в дальнейших расчетах не учитывались.
Почвенные разности различны между собой по морфологическим, водно-физическим, тепловым и другим свойствам и режимам, что определяет различия в балансе углерода и «пестроту» в формировании урожая сельскохозяйственных культур [6].
Результаты исследования и их обсуждение
Исследования показали, что на содержание углерода достоверное влияние оказывают системы обработки почвы. На глубине 10 см большее содержание углерода наблюдается на глубокой (2,09 %) и мелкой безотвальных обработках (2,03 %), меньшее – на вспашке (1,68 %) (табл. 1).
На глубине 40 см различия выравниваются, однако большее содержание отмечается при глубокой обработке – 0,80 %. Данный факт можно объяснить в первом случае накоплением растительных остатков и их гумификацией в верхнем слое при ежегодных безотвальных обработках, во втором – более глубоким проникновением корневой системы и их гумификацией при глубокой обработке.
Таблица 1
Влияние систем обработки почвы на содержание углерода ( %) (2017 г.)
|
Система обработки почвы |
Глубина, см |
|
|
10 |
40 |
|
|
Общепринятая вспашка |
1,68 |
0,62 |
|
Комбинированно-энергосберегающая |
2,03 |
0,53 |
|
Комбинированно-ярусная |
1,83 |
0,44 |
|
Противоэрозионная |
2,09 |
0,80 |
Примечание. НСР05 = 0,31 %.
Таким образом одним из ресурсов сбережения углерода является применение ресурсосберегающих безотвальных приемов обработки почвы.
Содержание углерода существенно различается по почвенным разностям. Более высокое содержание углерода в пахотном слое (1,55 %) отмечено на среднеоподзоленной почве со вторым гумусовым горизонтом и среднеоподзоленной (1,53 %), меньшее (1,14 %) – на серой лесной почве.
Баланс углерода под многолетними травами 1 года варьировал в пределах (0,63–0,97 т/га) (табл. 2).
Таблица 2
Влияние почвенных разностей и удобрений на урожайность культур и баланс органического углерода (2015–2017 гг.)
|
Почвы |
Урожайность, т/га |
Баланс, т/га |
Минерализация ОВ, т/га |
Гумификация пожнивных остатков, т/га |
Гумификация корневых остатков, т/га |
Гумификация соломы, т/га |
|
Многолетние травы 1 г. п. |
||||||
|
Л2сЛ* |
35 |
0,63 |
0,62 |
0,15 |
1,10 |
– |
|
Л2оп1сЛ |
48 |
0,74 |
0,84 |
0,17 |
1,41 |
– |
|
Л2оп2сЛ |
60 |
0,87 |
1,04 |
0,20 |
1,71 |
– |
|
Л2hoп2сЛ |
64 |
0,97 |
1,01 |
0,22 |
1,76 |
– |
|
НСР05 |
8,2 |
– |
||||
|
Многолетние травы 2 г. п. с внесением N40 |
||||||
|
Л2сЛ |
88 |
1,83 |
0,84 |
0,26 |
2,41 |
– |
|
Л2оп1сЛ |
89 |
1,77 |
0,93 |
0,26 |
2,44 |
– |
|
Л2оп2сЛ |
85 |
1,78 |
0,81 |
0,25 |
2,34 |
– |
|
Л2hoп2сЛ |
85 |
1,78 |
0,81 |
0,25 |
2,34 |
– |
|
НСР05 |
7,4 |
– |
||||
|
Овес без внесения удобрений |
||||||
|
Л2сЛ |
2,72 |
–0,41 |
1,10 |
0,11 |
0,20 |
0,38 |
|
Л2оп1сЛ |
2,97 |
–0,52 |
1,24 |
0,11 |
0,21 |
0,40 |
|
Л2оп2сЛ |
2,92 |
–0,30 |
0,94 |
0,10 |
0,19 |
0,35 |
|
Л2hoп2сЛ |
3,06 |
–0,52 |
1,24 |
0,11 |
0,21 |
0,40 |
|
НСР05 |
0,39 |
|||||
|
Овес с внесением N30P30K30 |
||||||
|
Л2сЛ |
3,27 |
–0,11 |
0,91 |
0,12 |
0,22 |
0,46 |
|
Л2оп1сЛ |
3,37 |
–0,05 |
0,82 |
0,12 |
0,22 |
0,43 |
|
Л2оп2сЛ |
3,62 |
–0,10 |
0,88 |
0,12 |
0,22 |
0,44 |
|
Л2hoп2сЛ |
3,60 |
–0,09 |
0,87 |
0,12 |
0,22 |
0,44 |
|
НСР05 |
0,48 |
|||||
Примечание. *Название почвенных разностей представлено на рис. 1.
Полученные величины обусловлены высокими значениями приходных статей баланса углерода: гумификации корневых остатков (1,10–1,76 т/га), гумификации пожнивных остатков (0,15–0,22 т/га). Также выявлены относительно небольшие статьи расхода при минерализации ОВ, что составляло от 0,62 до 1,04 т/га, которые полностью компенсировались за счет приходных статей баланса углерода. Почвенная неоднородность оказала влияние на формирование баланса углерода. Наибольшие значения баланса углерода отмечены на почве со вторым гумусовым горизонтом – 0,97 т/га, наименьшие – на серой лесной почве – 0,63 т/га.
В варианте без удобрений основное влияние на урожайность трав оказали почвенные разности. Более высокая урожайность трав получена на почве со вторым гумусовым горизонтом – 64 т/га и среднеоподзоленной почве – 60 т/га. Достоверное снижение урожайности получено на серой лесной – 35 т/га и слабооподзоленной почвах – 48 т/га (при НСР05 = 8,2 т/га).
На травах 2 г. п. азотная подкормка выравнивает влияние почвенных разностей на приходные статьи баланса углерода: гумификация корневых остатков составила 2,34 – 2,44 т/га, гумификация пожнивных остатков – от 0,25 до 0,26 т/га. Однако за счет более высоких статей прихода пожнивных и корневых остатков баланс углерода был существенно выше, чем на травах 1 г.п. (1,77–1,83 т/га). При этом различия в урожайности между почвенными разностями были несущественны и варьировали от 85 до 89 т/га (при НСР05 = 7,4 т/га).
Баланс углерода под овсом на нулевом фоне был отрицательным и составил от –0,30 т/га до –0,52 т/га. Урожайность по почвенным разностям варьировала незначительно (от 2,72 до 3,06 т/га), однако отмечена тенденция увеличения урожайности на почве со вторым гумусовым горизонтом (3,06 т/га).
Баланс углерода под овсом с применением минеральных удобрений также был отрицательным, но дефицит углерода был меньше от –0,05 т/га до –0,11 т/га, за счет более высоких приходных статей баланса. Возрастает и урожайность овса до 3,37–3,77 т/га (при НСР0,5 = 0,48 т/га), что на 0,67 т/га выше, чем без применения удобрений, но различия по почвенным разностям также несущественны.
Выводы
1) Одним из ресурсов сбережения и накопления органического углерода является применение ресурсосберегающих безотвальных приемов обработки почвы.
2) Почвенные разности существенно различаются по содержанию органического углерода. Более высокое содержание углерода в пахотном слое (1,55 %) отмечено на среднеоподзоленной почве со вторым гумусовым горизонтом и среднеоподзоленной (1,53 %), меньшее (1,14 %) – на серой лесной почве.
3) Возделывание многолетних трав 1 и 2 г.п. в севообороте обеспечивает положительный баланс углерода (0,63–1,83 т/га).
4) Неоднородность почвенного покрова без применения удобрений приводит к пестроте урожайности многолетних трав 1 г.п.: более высокая урожайность получена на почвах со вторым гумусовым горизонтом – 64 т/га, меньшая (35 т/га) – на серых лесных почвах.
5) Применение минеральных удобрений нивелирует различия между почвенными разностями по балансу углерода и урожайности многолетних трав 2 г.п.
6) Возделывание овса без применения минеральных удобрений приводит к отрицательному балансу углерода (от –0,30 до –0,52 т/га). Почвенные разности не оказали достоверного влияния на варьирование урожайности (2,72–3,06 т/га).
7) Внесение минеральных удобрений снижает дефицит углерода (от –0,05 до –0,11 т/га) и существенно увеличивает урожайность (до 3,27–3,62 т/га).