Влияние длительного применения минеральных удобрений на содержание гумуса в чернозёме обыкновенном Центрального Предкавказья

Влияние длительного применения минеральных удобрений на содержание гумуса в чернозёме обыкновенном Центрального Предкавказья

ЕИ Годунова, д.с.-х.н, НН. Шаповалова, зав. лабораторией, ФГБНУ Ставропольский НИИСХ

Содержание гумуса является основным признаком плодородия почвы. Оно тесно связано с её генезисом и в значительной степени определяет агрономические свойства и протекающие в ней биологические и многочисленные химические процессы. Одной из главных проблем XXI в., по мнению Б.М. Когута и В.М. Семёнова, является дегумусирование почв, обусловленное нарушением биогеохимического цикла углерода и ростом эмиссии СО2. Главные причины дегумусирования — изменение почвенных режимов и динамики процессов под влиянием природных и антропогенных нарушающих воздействий [1]. К их числу принадлежат и минеральные удобрения, особенно в случае длительного применения высокими дозами. Поэтому критерий баланса и динамики углерода должен быть в числе приоритетных при оценке действия какого-либо вида удобрения или эффективности той или иной системы удобрения культур [2].

В вопросе о гумусонакапливающем или дегу-мусирующем эффекте минеральных удобрений нет единого мнения, поскольку имеется много экспериментальных данных, указывающих как на снижение, так и на повышение содержания гумуса при внесении их на разных почвах [2 — 7]. Вместе с тем давно установлено, что длительное использование чернозёмов без применения удобрений приводит к значительному снижению содержания гумуса в этих почвах. При этом самые высокие потери происходят в пахотном слое в первые годы после освоения целины. С увеличением периода использования пашни уменьшение запасов гумуса наблюдается во всём профиле, но темпы потерь снижаются. Изменение содержания гумуса определяется уровнем интенсификации земледелия: способом обработки почвы, структурой посевных площадей, соотношением в севооборотах паров, пропашных и культур сплошного сева, удельным весом многолетних трав, уровнем применения органических и минеральных удобрений [4].

Так, наибольшие потери гумуса в зерносвекло-вичном севообороте на чернозёме выщелоченном были выявлены на фоне внесения низких доз минеральных удобрений, минимальные — на фоне совместного внесения минеральных удобрений и навоза [5]. В то же время систематическое применение невысоких доз минеральных удобрений (N10 _ 15 P17 _23) в зернотравяном севообороте на лугово-чернозёмной почве увеличило содержание общего гумуса относительно исходного уровня на 0,16 — 0,30% [6]. Таким образом, гумус, являясь наи-

более доступным источником углерода и элементов питания растений, заметно изменяется под влиянием различных агрономических приёмов. Поэтому целью нашего исследования было установить действие длительного применения разных видов и доз минеральных удобрений на содержание и запасы гумуса в профиле чернозёма обыкновенного.

Материал и методы исследования. Исследование проведено в условиях Центрального Предкавказья (Ставропольская возвышенность) в 2007 — 2009 гг. на базе длительного полевого опыта, заложенного в 1975 г. Почва опытного участка - чернозём обыкновенный мощный малогумусный тяжелосуглинистый на лёссовидных суглинках. Перед закладкой опыта пахотный слой почвы характеризовался следующими значениями агрохимических показателей: рН водной суспензии — 7,2 — 7,3; содержание гумуса (по Тюрину) — 4,30%; подвижного фосфора и обменного калия (по Мачигину) — 10,4 — 15,7 и 196 — 212 мг/кг почвы соответственно.

Исследования проводили в шестипольном зернопаровом севообороте со следующим чередованием культур: пар, озимая пшеница, озимая пшеница, кукуруза на силос, озимая пшеница, овёс (яровой ячмень). В силу объективных причин в 4-й и 5-й ротациях произошли некоторые изменения в культурах севооборота, связанные с увеличением доли чистого пара с 16,7 до 33,3% за счёт силосной кукурузы. При этом насыщенность севооборота зерновыми колосовыми культурами осталась прежней — 66,7%.

Схема опыта предусматривала ежегодное внесение возрастающих доз азотного, фосфорного и калийного удобрений (от 30 до 180 кг/га д.в.) отдельно и совместно с двумя другими элементами, используемыми в виде фона по 120 кг/га д.в. каждого. Удобрения в виде аммиачной селитры, простого суперфосфата и 40-процентной калийной соли применяли под предпосевную культивацию. В течение ротации в паровые поля удобрения не вносили.

Первоначальная схема опыта, состоящая из 42 вариантов, была выдержана в течение первых трёх ротаций севооборота. В 90-е гг. в 4-й ротации удобрения не применялись, а в 5-й (с 1997 по 2005 г.) было возобновлено внесение только азотных и фосфорных удобрений. С 2006 г. в опыте изучалось последействие внесённых ранее удобрительных средств. Таким образом, по указанной схеме было проведено 21-кратное наложение доз азотных и фосфорных и 15-кратное калийных удобрений. В зависимости от дозы суммарное внесение азота и фосфора за пять ротаций севооборота (1975 — 2005 гг.) составило 630 — 3780 кг/ га,

калия — 450 — 2700 кг/га. В результате был сформирован полигон, характеризующийся высоким разнообразием агрохимических свойств [7]. В работе проанализированы данные 24 вариантов опыта.

В пространстве севооборот развёрнут тремя полями, повторность вариантов — четырёхкратная. Основная обработка почвы включала вспашку на глубину 20 — 22 см. Для выявления различий в гумусном состоянии почвы по завершении исследования с применением удобрений провели отбор почвенных проб в начале весенней вегетации озимой пшеницы после чистого пара (4-я ротация, 2-е поле севооборота) до глубины 60 см через 20 см. К началу изучения последействия удобрений в стационаре сохранилась только двукратная по-вторность во времени. Оценка экспериментальных данных проведена с помощью методов математической статистики.

Результаты исследования. За 32-летний период сельскохозяйственного использования чернозёма обыкновенного без применения удобрений содержание гумуса в слое 0 — 20 см уменьшилось на 0,92%, или на 21% относительно исходного уровня. Запасы гумуса в слое 0 — 60 см сократились в меньшей степени - на 44,3 т/га, или 16%. При этом среднегодовые потери гумуса в пахотном слое составили 0,029%, или 0,45 т/га; в слое 0 — 60 см — 1,38 т/га.

Длительное систематическое применение минеральных удобрений не обеспечило сохранения исходного уровня содержания гумуса, но способ-

ствовало ослаблению процесса дегумусирования почвы. Влияние удобрений на гумусное состояние чернозёма обыкновенного зависело от вида применяемых туков, дозы и агрохимического фона.

При проведении исследования была установлена важная роль фосфорных удобрений в вопросе гумусообразования в чернозёме обыкновенном (табл. 1). Характерной особенностью сухостепных почв Центрального Предкавказья является низкая обеспеченность пахотного слоя подвижными формами фосфора при значительных валовых его запасах (около 2,9 т/га Р2О5). Это связано с присутствием в средней и нижней части профиля карбонатов кальция и магния и образованием труднорастворимых фосфатов. Устранение дефицита подвижного фосфора с помощью удобрений способствовало повышению урожайности культур и увеличению количества пожнивных и корневых остатков — основного источника углерода в почве [8]. Между содержанием гумуса и средней (за пять ротаций) продуктивностью 1 га севооборотной площади выявлена прямая положительная взаимосвязь (коэффициент корреляции г=0,52; фактическое значение критерия достоверности Fr=2,84 при F05=2,07). Аналогичная взаимосвязь установлена между гумусом и содержанием фосфора в пахотном слое почвы (коэффициент корреляции г=0,63; фактическое значение критерия достоверности Fr=3,79).

При систематическом внесении фосфора, как на естественном фоне плодородия, так и на фоне К120К120, суммарные (за 32 года) потери гумуса

1. Изменение гумуса почвы в результате длительного применения фосфорных удобрений

Вид и доза удобрения, кг/га д.в. Слой почвы, см

0 - 20 0 - 60

содержание гумуса, % отклонение от исходного уровня, % среднегодовая потеря за 32 года, % запасы гумуса, т/га отклонение от исходного уровня, т/га среднегодовая потеря за 32 года, т/га

Исходный уровень (1975 г.) 4,30 285,2

на естественном фоне

Р0 (контроль) 3,38 -0,92 0,029 240,9 -44,3 1,38

Рзо 3,53 -0,77 0,024 244,0 -41,2 1,29

Рб0 3,68 -0,62 0,019 253,5 -31,7 0,99

Р 1 90 3,73 -0,57 0,018 261,6 -23,6 0,74

Р г 120 3,78 -0,52 0,016 263,9 -21,3 0,67

Р 1 150 3,84 -0,46 0,014 268,0 -17,2 0,54

на удобренном фоне

Р0 3,63 -0,67 0,021 259,3 -25,9 0,81

Р30 3,84 -0,46 0,014 254,6 -30,6 0,96

Рб0 3,80 -0,50 0,016 253,5 -31,7 0,99

Р 1 90 3,76 -0,54 0,017 249,8 -35,4 1,11

Р 1 120 3,78 -0,52 0,016 251,1 -34,1 1,07

Р г 150 3,82 -0,48 0,015 256,1 -29,1 0,91

в пахотном слое составили 0,46 — 0,77%, что на 0,15 — 0,46%, или в 1,2 — 2,0 раза ниже, чем на неудобренном контроле. Наиболее высокая убыль гумуса отмечалась на варианте одностороннего применения небольшой дозы фосфорного удобрения (30 кг/га д.в.) — 0,77%, или 18% относительно исходного состояния. Как показали результаты предшествующих исследований, внесение низкой дозы фосфора не создаёт положительного баланса данного элемента в севообороте, поскольку среднегодовой вынос его с продукцией компенсируется лишь на 64% и существенная часть урожая формируется за счёт естественного плодородия почвы [9].

Увеличение дозы фосфорного удобрения до 120 — 150 кг/га д.в. при отдельном применении или внесение Р2О5 на высоком азотно-калийном фоне сократило потери гумуса до 0,46 — 0,54%, или до 11 — 13% относительно исходного уровня.

Изменения, происходящие в пахотном слое, не в полной мере отражают влияние удобрений на гумусное состояние почвы. Анализ запасов гумуса в слое 0 — 60 см позволяет дать более точную и объективную оценку трансформации органического вещества в профиле почвы. При внесении фосфора на естественном фоне запасы гумуса возрастали пропорционально дозе (табл. 1). Пятикратное её увеличение (с 30 до 150 кг/га Р2О5) уменьшило потери гумуса за 32 года с 41,2 до 17,2 т/га, или в 2,4 раза. Таким образом, применение одного фосфорного удобрения в высоких дозах (120 — 150 кг/га д.в.) обеспечило минимальные темпы снижения запасов гумуса - 0,54 — 0,67 т/га в год.

По данным таблицы 1 видно, что содержание гумуса в пахотном слое не зависело от фона, на котором вносились фосфорные удобрения. В то же время его запасы в слое 0 — 60 см при внесении высоких доз фосфора (90 — 150 кг/га д.в.) на азотно-калийном фоне по сравнению с есте-

ственным были ниже в 1,5 — 1,7 раза (249,8 — 256,1 и 261,6 — 268,0 т/га соответственно). Это может быть связано с разным распределением новообразованных соединений гумуса в профиле почвы, влияющем на темпы его минерализации.

В естественном состоянии чернозём обыкновенный характеризуется достаточно большой мощностью (свыше 80 см) и постепенным убыванием количества гумуса с глубиной. На контроле без применения удобрений наиболее высокие запасы гумуса отмечались в слое 21 — 40 см - 37% от суммы (табл. 2). В пахотном слое сосредоточено лишь 34% от общих запасов 60-сантиметрового слоя, что обусловлено выпаханностью — более сильной минерализацией органического вещества верхнего слоя в аэробных условиях при повышенных температурах. Минимальное количество органического вещества отмечалось в слое 41 — 60 см — 29% от суммы. Как видно, значительных различий в запасах гумуса по слоям профиля чернозёма не наблюдалось.

Длительное систематическое внесение фосфорных удобрений способствовало увеличению запасов гумуса в слое 0 — 60 см в сравнении с контролем на 3,1 — 27,1 т/га, или на 1,3 — 11,2%. При отдельном их внесении (60 и более кг/га Р2О5) основной прирост новообразованных соединений гумуса произошёл в верхнем (0 — 20 см) и в нижнем (41 — 60 см) слоях практически в равных количествах — 41 — 57 и 43 — 55% к общему приросту в слое 0 — 60 см. Это обусловлено тем, что положительное действие фосфорных удобрений на урожай культур связано не только с увеличением количества пожнивных остатков, но и с существенным ростом массы корней и их выделений.

Совместное внесение фосфора и высоких доз азота и калия привело к преимущественному увеличению количества пожнивных остатков культур

2. Распределение запасов гумуса в слое 0 — 60 см чернозёма обыкновенного после длительного применения

Вид и доза удобрения, кг/га д.в. Распределение запасов гумуса по слоям, % Прирост запасов в слое 0- 60 см к контролю, т/га Распределение прироста запасов по слоям, %

0-20 21-40 41- 60 0-20 21-40 41- 60

на естественном фоне

Р0 (контроль) 34 37 29

Рзо 35 37 28 3,1 116 26 -42

Рб0 35 35 30 12,6 57 0 43

Р -1 90 35 34 31 20,7 41 4 55

Р 1 120 35 35 31 23,0 41 12 47

Р -1 150 34 35 31 27,1 41 15 44

на удобренном фоне

Р0 34 33 33 18,4 33 -14 81

Р30 36 35 29 13,7 80 -10 30

Рб0 36 34 30 12,6 80 -21 41

Р 1 90 36 35 29 8,9 102 -29 27

Р 1 120 36 35 29 10,2 94 -18 24

Р 150 36 34 30 15,2 70 -12 42

и преимущественному приросту запасов гумуса в пахотном слое — до 70 — 102% от общего. Более интенсивная минерализация органического вещества верхнего слоя почвы на фоне К120К120 обусловила более существенное снижение запасов гумуса при внесении высоких доз фосфора по сравнению с естественным фоном.

При низком содержании доступного фосфора в почве (на естественном фоне) азотные удобрения существенно уступают фосфорным во влиянии, оказываемом на урожайность культур. За период исследования при одностороннем внесении азота прибавка продуктивности 1 га севооборотной площади составила 0,6 — 1,2; в то время как фос-

фора — 2,3 — 4,5 ц/га зерн. ед. Несмотря на это, азотные удобрения даже на естественном фоне плодородия обеспечили более высокое содержание и запасы гумуса в профиле почвы в сравнении с неудобренным контрольным вариантом (табл. 3).

Влияние одного азота на гумусное состояние чернозёма зависело от его дозы. Минимальные среднегодовые потери гумуса в пахотном слое и в слое 0 — 60 см отмечались при систематическом одностороннем применении 60 кг/га азота — 0,013% и 0,79 т/га соответственно. Более высокие дозы азотного удобрения заметно усилили процесс де-гумусирования почвы, что позволило считать данную дозу оптимальной с точки зрения сохранения

3. Изменение гумуса почвы в результате длительного применения азотных удобрений за 32 года

Вид и доза удо -брения, кг/га д. в. Слой почвы, см

0- 20 0- 60

содержание гумуса, % отклонение от исходного уровня, % среднегодовая потеря за 32 года, % запасы гумуса, т/га отклонение от исходного уровня, т/га среднегодовая потеря за 32 года, т/га

Исходный уровень (1975 г.) 4,30 285,2

на естественном фоне

N (контроль) 3,38 -0,92 0,029 240,9 -44,3 1,38

N30 3,63 -0,67 0,021 244,0 -41,2 1,29

N60 3,89 -0,41 0,013 259,8 -25,4 0,79

N90 3,61 -0,69 0,022 257,4 -27,8 0,87

N120 3,48 -0,82 0,026 255,4 -29,8 0,93

N150 3,48 -0,82 0,026 249,5 -35,7 1,12

на удобренном фоне

N0 3,78 -0,52 0,016 262,6 -22,6 0,71

N30 3,77 -0,53 0,017 266,3 -18,9 0,59

N60 3,73 -0,57 0,018 260,0 -25,2 0,79

N90 3,82 -0,48 0,016 263,1 -22,1 0,69

^20 3,79 -0,51 0,016 253,6 -31,6 0,99

N150 3,81 0,49 0,015 254,1 -31,1 0,97

Вид и доза удобрения, кг/га дв. Распределение запасов гумуса по слоям, % Прирост запасов в слое 0- 60 см к контролю, т/га Распределение прироста запасов по слоям, %

0-20 21-40 41- 60 0- 20 21-40 41- 60

на естественном фоне

N1, (контроль) 34 37 29

N30 36 36 28 3,1 194 0 -94

N60 36 34 30 18,9 65 0 35

N90 34 36 30 16,5 33 21 46

N120 33 36 31 14,5 17 28 55

N150 34 36 30 8,6 28 9 63

на удобренном фоне

N0 35 35 30 21,7 44 13 43

N30 34 36 30 25,4 37 21 42

N60 35 34 31 19,1 44 0 56

N90 35 35 30 22,2 48 16 36

^20 36 33 31 12,7 77 -41 64

N150 36 33 31 13,2 78 -39 61

4. Распределение запасов гумуса в слое 0 — 60 см чернозёма обыкновенного после длительного применения

гумуса при внесении азота на почвах с дефицитом легкоусвоямых фосфатов. К оптимальным дозам при использовании азотного удобрения на высоком фосфорно-калийном фоне можно отнести 30 — 90 кг/га д.в., которые способны максимально сократить среднегодовые потери запасов гумуса в слое 0 — 60 см до 0,59 — 0,79 т/га.

На азотном блоке распределение запасов гумуса по слоям 60-сантиметрового профиля имело свои характерные особенности, обусловленные соотношением азота и фосфора, поступившими в почву с удобрениями (табл. 4).

В случае заметного превышения дозы фосфора над азотом (К0—60Р120К120) наиболее высокий и почти равный прирост новообразованных соединений гумуса наблюдался в двух слоях - 0 — 20 и 41 — 60 см. При близком к фосфору или преимущественном поступлении в почву азота (К90 — 150Р[20К120; К30—60) был отмечен более интенсивный прирост запасов гумуса в пахотном слое — 48 — 194% от общего в слое 0 — 60 см. Исключение составили варианты внесения высоких доз азота (К90 — 150) на естественном фоне. В данном случае произошёл рост количества новообразованных соединений гумуса в нижележащих слоях — 21 — 40 см и особенно в слое 41 — 60 см. На основании результатов проведённых ранее исследований можно предположить, что это связано с существенным повышением кислотности почвенного раствора под действием аммиачной селитры, увеличением подвижности гумусовых соединений и их миграцией в глубь почвенного профиля.

Выводы. Для сохранения гумуса в чернозёме обыкновенном Центрального Предкавказья на возможно более высоком уровне необходимо систематическое применение фосфорных удобрений в дозе не менее 60 кг/га д.в. В этом случае общие потери гумуса в пахотном слое за 32 года использования сократились в сравнении с неудобренным контролем на 0,30 — 0,46%, или в 1,5 — 2,0 раза. Положительный эффект при внесении фосфора возрастает пропорционально дозе.

Азотные удобрения также оказывают положительное влияние на гумусное состояние почвы, которое зависит от дозы и фона внесения. На естественном фоне плодородия с дефицитом легкоусвояемых фосфатов минимальные среднегодовые потери гумуса в пахотном слое и в слое 0 — 60 см отмечаются при одностороннем применении 60 кг/га азота — 0,013% и 0,79 т/га соответственно. Более высокие дозы азотного удобрения приводят к усилению процесса дегумусирования почвы. На высоком фосфорно-калийном фоне доза азота может быть увеличена до 90 кг/га без негативных последствий для запасов гумуса в 60-сантиметровом слое.

Литература

1. Когут Б.М., Семёнов В.М. Эволюция доминирующих парадигм в учении о гумусе и почвенном органическом веществе // Агрохимия. 2015. № 12. С. 3 — 19.

2. Семёнов В.М., Лебедева Т.Н. Проблема углерода в устойчивом земледелии: агрохимические аспекты // Агрохимия. 2015. № 11. С. 3 — 12.

3. Минеев В.Г., Шевцова Л.К. Влияние длительного применения удобрений на гумус почвы и урожай культур // Агрохимия. 1978. № 7. С. 134 — 141.

4. Чесняк Г.Я. Гумусовое состояние чернозёмов / Г.Я. Чес-няк, Ф.Я. Гаврилюк, И.А. Крупеников, Н.И. Лактионов, И.И. Шилихина //Русский чернозём — 100 лет после Докучаева. М.: Наука, 1983. С. 186 — 198.

5. Минакова О.А. Прогноз азотного и гумусного состояния чернозёма выщелоченного в зерносвекловичном севообороте лесостепи ЦЧР / О.А. Минакова, А.И. Громовик, Л.В. Александрова [и др.] // Сахарная свёкла. 2010. № 1. С. 19 — 21.

6. Балабанова Н.Ф., Воронкова Н.А. Влияние длительного применения удобрений в зернотравяном севообороте на содержание лабильного органического вещества в лугово-чернозёмной почве // Агрохимия. 2015. № 1. С. 16 — 22.

7. Шаповалова Н.Н., Шустикова Е.П. Мониторинг плодородия чернозёма обыкновенного, сформированного под воздействием длительного применения минеральных удобрений // Состояние и перспективы агрохимических исследований в Географической сети опытов с удобрениями: матер. между-нар. науч.-методич. конф. М.: ВНИИА, 2010. С. 131 — 134.

8. Шустикова Е.П., Шаповалова Н.Н, Петров Н.Л. Эффективность минеральных удобрений в полевом севообороте в зависимости от доз и длительности применения: методич. рекоменд. Михайловск: ГНУ «Ставропольский НИИСХ», 2005. 25 с.

9. Кулинцев В.В., Годунова Е.И., Шаповалова Н.Н. Значение результатов длительного опыта с удобрениями для разработки эффективных мероприятий по сохранению плодородия обыкновенных чернозёмов Ставрополья // 75 лет Географической сети опытов с удобрениями: матер. всерос. совещ. науч. учрежд. — участн. Географической сети опытов с удобрениями. М.: ВНИИА, 2016. С. 153 — 161.

Изменение содержания и запасов гумуса в чернозёме обыкновенном в зависимости от применяемых систем удобрений

A.В. Парамонов, к.с.-х.н., А.В. Федюшкин, к.с.-х.н,

B.И. Медведева, ст.н.с., ФГБНУДонской зональный НИИСХ

Содержание и запасы органического вещества в почвах традиционно служат основными критериями оценки почвенного плодородия, а в последние годы всё больше рассматриваются и с точки зрения экологической устойчивости почв как компонента биосферы. Органическое вещество в целом и от-

дельные его группы разносторонне влияют на агрономические свойства и режимы почв [1 — 3].

По своим природным свойствам чернозёмы относятся к почвам с высоким уровнем плодородия, однако сейчас наблюдается негативная тенденция к их ухудшению под воздействием длительного сельскохозяйственного использования. Удобрения имеют разностороннее влияние на процессы трансформации органических веществ