Минерализация гумуса в пахотном черноземе при использовании минеральных удобрений

DOI: 10.24411/0044-3913-2018-10704 УДК: 631.82: 631.445.25:631.559

Минерализация гумуса в пахотном черноземе при использовании минеральных удобрений

Д. И. ЕРЕМИН, доктор биологических наук, профессор (e-mail: soil-tyumen@yandex.ru) А. А. АХТЯМОВА, менеджер по качеству

Государственный аграрный университет Северного Зауралья, ул. Республики, 7, Тюмень, 625003, Российская Федерация

Разработанные ранее методы расчета баланса гумусового состояния пахотных почв не учитывают влияния минеральных удобрений на процессы минерализации и гумификации органического вещества. Расчетные данные существенно отличаются от фактических величин запасов гумуса. Целью работы было изучение влияния минеральных удобрений на минерализацию гумуса в пахотном слое чернозема выщелоченного. Исследования проводили на стационаре, расположенном в лесостепной зоне Зауралья. Изучали минерализацию гумуса на естественном агрофоне и при внесении различных доз минеральных удобрений, обеспечивающих формирование планируемого урожая яровой пшеницы и овса от 3,0 до 6,0 т/га. За пять лет содержание гумуса в варианте без удобрений в слое 0...40 см уменьшилось с 6,27 до 6,01 %, коэффициент его минерализации составил 0,8 % от содержания гумуса. Внесение удобрений на планируемую урожайность 3,0 и 4,0 т/га незначительно стимулировало почвенную микрофлору, жизнедеятельность которой при отсутствии растительных остатков уменьшала содержание гумуса с 6,85 до 6,46 %; коэффициент минерализации соответствовал общепринятым значениями -1,0 % от содержания гумуса. На полях с высоким агрофоном, обеспечивающим формирование урожая зерновых культур от 5,0 до 6,0 т/га, почвенная микрофлора активизировалась по всему пахотному слою. Ее деятельность привела к уменьшению содержания гумуса с 6,06 до 5,61 %. Коэффициент минерализации увеличился до 1,5 % от содержания гумуса. Полученные результаты необходимы для оптимизации балансовой 5? модели гумусообразования пахотных

0 почв при использовании минеральных удобрений.

01 Ключевые слова: гумус, пахотный z чернозем, плодородие, минеральные s удобрения, коэффициент минерализации

ел гумуса, яровая пшеница, лесостепная д зона Зауралья. е; Для цитирования: Еремин Д. И., Ах-5 тямова А. А. Минерализация гумуса в пахотном черноземе при использовании

минеральных удобрений // Земледелие. 2018. № 7. С. 16-18. ЭО!: 10.24411/00443913-2018-10704.

Минеральные удобрения - самый мощный фактор увеличения урожайности сельскохозяйственных культур. Благодаря их использованию можно сформировать планируемый урожай при относительно минимальных денежных затратах на почвах с любым уровнем плодородия [1]. Поэтому в современном земледелии многие делают акцент именно на внесение минеральных удобрений, почти полностью отказавшись от применения органических. Этому способствовало появление хозяйств с узкой специализацией, занимающихся выращиванием зерновых или овощных культур, в которых нет навоза или других органических удобрений на его основе. Использование же торфа, запасы которого огромны в России или выращивание сидератов экономически неоправданны. Даже в тех хозяйствах, где сохранилось животноводство, органические удобрения вносят лишь на примыкающих к фермам полях, что главным образом связано с экономическими причинами. Удаленные поля десятилетиями не видят органических удобрений, ведь в условиях рыночной экономики каждый гектар угодий должен приносить максимальный доход. Поэтому в отдельных случаях вывозят даже солому, которая могла бы быть хоть каким-то источником органического вещества.

Минеральныеудобрения положительно влияют не только на урожайность культур, но и могут стимулировать активность почвенной микрофлоры, что служит положительным фактором для почв, вовлеченных в пахотный фонд. Особенно это касается Западной Сибири, где, как известно, активность микрофлоры весной и в первой половине лета очень низкая [2, 3, 4]. В то же время такая стимуляция в обязательном порядке должна сопровождаться внесением достаточного количества растительных остатков, обеспечивающих положительный баланс гумуса [5]. Использование же минеральных удобрений на полях без поступления

органического вещества приводит к тому, что микрофлора начинает усиленно разрушать гумус, добывая себе необходимый для жизни углерод.

Ученые кафедры почвоведения и агрохимии Государственного аграрного университета Северного Зауралья несколько десятилетий проводят работы по изучению влияния различных доз минеральных удобрений на плодородие черноземов лесостепной зоны Зауралья. В результате стационарных исследований было установлено, что расчетные методы определения баланса гумуса, разработанные различными научными организациями, не отражают фактического гумусового состояния почвы [6, 7, 8]. На наш взгляд, одна из причин такой ситуации - несоответствие коэффициентов минерализации гумуса и растительных остатков.

Цель исследований - изучить влияние уровня минерального питания зерновых культур на минерализацию гумусовых веществ в пахотном слое чернозема выщелоченного.

Исследования проводили на стационаре кафедры почвоведения и агрохимии Государственного аграрного университета Северного Зауралья , расположенном в северной лесостепи. Стационар находится в Тюменском районе, около д. Утёше-во. Почва - чернозем выщелоченный тяжелосуглинистый с типичными признаками и свойствами для Западной Сибири [9]. Исследования выполняли в зерновом севообороте с занятым паром (однолетние травы, пшеница, овес). Система обработки почвы отвальная. Схема опыта предусматривала следующие варианты: без внесения удобрений (контроль); минеральные удобрения на планируемую урожайность 3,0; 4,0; 5,0; 6,0 т/га зерна (средние дозы удобрений за годы исследований показаны на рисунке). Почва стационара характеризовалась высокой обеспеченностью подвижным калием, его запасов было достаточно для формирования урожайности не менее 6,0 т/га зерна яровой пшеницы и овса на протяжении всего периода исследований. Поэтому калийные удобрения не вносили.

Расчет доз удобрений на планируемую урожайность яровой пшеницы и овса проводили методом элементарного баланса с учетом доступных для растений питательных веществ в почве. Удобрения вносили под предпосевную культивацию. Схему опыта и культуры не меняли на протяжении всего эксперимента. При уборке зерновых солому измельчали и запахивали непосредственно на делянках.

250

200 о

150

100

50

со со

230

170

120

Контроль,

:стественнь (низкий) агрофон

70

110

N

15

P

N

30

P

NPK на 3,0 т/га NPK на 4,0 т/га

1й Средний агрофон

N

65

P

N

P

NPK на 5,0 т/га NPK на 6,0 т/га

Высокий агрофон

Варианть

Рисунок. Средние дозы минеральных удобрений на планируемую урожайность яровой пшеницы и овса (2011—2016 гг.), кг д.в./га.

Общая площадь делянки составляет 100 м2, учетная - 50 м2. Размещение делянок последовательное, повторность 4-х кратная. Делянки фиксированные, чередование культур севооборота проходит во времени.

Осенью 2011 г по вариантам опыта была отобрана почва массой не менее 1 кг. Индивидуальные образцы отбирали послойно до глубины 40 см на каждом повторении, в 4-х кратной повторности. В этих образцах определяли содержание гумусовых веществ и другие сопутствующие показатели плодородия. После детального осмотра и изъятия крупных растительных остатков (измельченная солома), почву помещали в мешки из плотной стеклоткани, которые для улучшения проникновения воды и воздуха прокалывали в нескольких местах. Мешки обладали хорошей водо- и воздухопроницаемостью, а также устойчивостью к разрушению почвенной микрофлорой на протяжении всего опыта. Образцы помещали соответственно слоям, из которых отбирали. Перед вспашкой и предпосевной обработкой почвы мешки, которые могли быть повреждены рабочими органами сельскохозяйственных орудий, изымали и вновь

закапывали сразу после проведения технологической операции. После вспашки образцы в слое 0...10 и 20...30 см меняли местами, имитируя процесс оборота пласта. Размещение мешков с почвой строго по слоям было необходимо для соблюдения естественных условий почвообразования (влажность, питательный режим, температура). Осенью 2016 г. образцы перевезли в лабораторию и провели детальный анализ показателей плодородия.

Используемый метод, в отличие от модельных опытов, выполняемых в искусственных условиях, дал возможность достоверно оценить влияние удобрений на минерализацию гумуса в каждом слое почвы, поскольку в мешки не могли попасть частицы соломы, способные исказить результаты эксперимента. Воздух, вода, частично корневая система зерновых культур и микрофлора свободно проникали вглубь мешка, тем самым полностью создавая условия трансформации гумусовых веществ, сходные с пашней.

Органический углерод определяли методом Тюрина в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26213-91). Статистическую обработку проводили с использованием Microsoft Excel.

В 2011 г. содержание гумуса в почве стационара различалось между вариантами, поскольку опыт заложили в 1995 г. и эффект от внесения различных доз минеральных удобрений был неодинаков. В контроле, где минеральные удобрения не вносили, величина этого показателя в слое 0...30 см варьировала незначительно. В среднем она составляла 6,81 % от массы почвы (табл. 1). При этом в подпахотном слое, который в черноземах также гумусовый, содержание гумуса было значительно ниже: в слое 30.40 см - 4,66 %, или на 30 % ниже, чем в пахотном. Проведенные ранее исследования на целинном участке чернозема выщелоченного, расположенном в 3 км от стационара, показали, что столь резкая убыль гумуса относительно пахотного слоя - результат антропогенного фактора почвообразования [10].

Через 5 лет в результате минерализации по всем слоям содержание гумуса закономерно снизилось. Наибольшее уменьшение отмечали в слое 0.10 см - на 0,34 %, что соответствовало потере 4 т почвенного органического вещества за 5 лет. В слое 10...30 см содержание гумуса уменьшилось до 6,48.6,53 %, что соответствовало потере почти 7 т.

1. Изменение содержания гумуса в слое 0...40 см пахотного чернозема при отсутствии растительных остатков на фоне возрастающих доз минеральных удобрений, % от массы почвы

Глубина, см Контроль NPK на 3,0 т/га NPK на 4,0 т/га NPK на 5,0 т/га NPK на 6,0 т/га

2011 г. 2016 г. 2011 г. I 2016 г 2011 г. I 2016 г 2011 г. I 2016 г 2011 г. I 2016 г.

0.10 6,87 6,53 7,50 7,05 7,55 7,10 6,76 6,25 6,50 5,98

10.20 6,75 6,48 7,48 7,11 7,41 6,93 6,71 6,21 6,52 6,00

20.30 6,80 6,53 7,40 7,03 7,42 6,97 6,65 6,18 6,57 6,08

30.40 4,66 4,52 4,92 4,75 5,00 4,80 4,07 3,85 4,65 4,39

0.40 6,27 6,01 6,83 6,48 6,85 6,45 6,05 5,62 6,06 5,61

Ы (D 3 ь

(D

д

(D Ь 5

(D

О 00

0

0

2. Влияние минеральных удобрений на коэффициент минерализации гумуса пахотного чернозема выщелоченного, % от содержания гумуса

Слой, см Контроль NPK на 3,0 т/га NPK на 4,0 т/га NPK на 5,0 т/га NPK на 6,0 т/га

0.10 1,0 1,2 1,2 1,5 1,6

10.20 0,8 1,0 1,3 1,5 1,6

20.30 0,8 1,0 1,2 1,4 1,5

30.40 0,6 0,7 0,8 1,1 1,1

0.40 0,8 1,0 1,1 1,4 1,5

Наименьшую минерализацию гумуса отмечали в слое 30.40 см, где ежегодный потери составили 0,33 т/га. В среднем по слою 0.40 см содержание гумуса уменьшилось с 6,27 до 6,01 % от массы почвы.

Рассчитанный коэффициент минерализации гумуса в варианте с естественным агрофоном составил 0,8 % от содержания почвенного органического вещества (табл. 2). Необходимо отметить усиление процессов минерализации в слое 0.10 см, где соответствующий коэффициент достиг 1,0 % от содержания гумуса.

Внесение минеральных удобрений на планируемую урожайность зерновых культур 3,0 и 4,0 т/га незначительно повышало микробиологическую активность пахотного слоя (0.30 см) - содержание гумуса уменьшилось, по сравнению с первоначальными значениями, на 0,40.0,50 %, а его запасы - на 5.6 т/га. Как и в случае с контролем интенсивность минерализации снижалась с глубиной, о чем свидетельствует рассчитанный коэффициент минерализации. В среднем по слою 0.40 см, он составил 1,0.1,1 % от содержания гумуса.

Систематическое внесение высоких доз минеральныхудобрений(ЫРК на 5,0 и 6,0 т/га зерна) привело к резкому скачку микробиологической активности пахотного слоя чернозема выщелоченного. Как показали ранее проведенные на кафедре исследования, период с высокой биологической активностью в этих вариантах был намного больше, чем в остальных [11]. Рассчитанный коэффициент минерализации в вариантах с внесением удобрений на 5,0 и 6,0 т/га зерна составил 1,4 и 1,5 % от содержания гумуса, что вполовину выше, чем в контроле и варианте с ЫРК на 3,0 т/га. Высокие дозы минеральных удобрений способствовали увеличению биологической активности не 5? только в пахотном горизонте, но и ° глубже. Содержание гумуса в слое 1-. 30.40 см за пять летуменьшилось с ^ 4,65 до 4,39,%, коэффициент мине-си рализации составил 1,1 %, или почти | в 2 раза выше, чем в контроле.

Таким образом, традиционный  коэффициент минерализации по-5 чвенного органического вещества на $ пашне, используемый при расчетах

баланса гумуса (1,0 % от содержания) возможно использовать для условий лесостепной зоны Зауралья на полях, где минеральные удобрения вносят из расчета на планируемую урожайность зерновых культур не более 4,0 т/га зерна (N120P30 кг д.в./га), что соответствует низкому и среднему агрофону. Внесениеудобрений на планируемую урожайность 5,0 и 6,0 т/га зерна усиливает процессы минерализации гумуса в слое 0.40 см и приводит к увеличению коэффициента его минерализации до 1,4.1,5 % от содержания органического вещества почвы. Полученные результаты необходимо учитывать при разработке системы удобрений, обеспечивающей расширенное воспроизводство плодородия пахотных почв.

Литература.

1.Трубников Ю. Н. Минеральные удобрения и продуктивность полевого севооборота в условияхподтайги Приени-сейской Сибири // Земледелие. 2011. № 5. С. 13-14.

2. Шарков И. Н. Минимализация обработки и ее влияние на плодородие почвы // Земледелие. 2009. № 3. С. 24-28.

3. Майсямова Д. Р. Биологический режим темно-серых лесных почв в процессе сельскохозяйственного использования // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. 2005. № 5. С. 17-23.

4. Изменение биологических и агрохимических свойств агрочернозема под действием удобрений в красноярской лесостепи / О. А. Ульянова, О. П. Горлова, Н. Л. Кураченко и др. // Плодородие. 2015. № 2 (83). С. 41-44.

5. Еремин Д. И., Ахтямова А. А. К вопросу стабилизации гумусного состояния пахотных черноземов за счет запашки соломы зерновых культур // Вестник Красноярского ГАУ. 2017. № 4 (127). С. 18-24.

6. Лазарев А. П., Ваймер А. А., Ски-пин Л. Н. Экологические аспекты использования черноземов Западной Сибири. Тюмень, 2014. 362 с.

7. Ломако Е. И., Алиев Ш. А. Баланс гумуса в почвах республики Татарстан // Земледелие. 2003. № 6. С. 2-3.

8. Eremin D. I. Changes in the content and quality of humus in leached chernozems of the Trans-Ural forest-steppe zone under the impact of their agricultural use // Eurasian soil science. Vol. 49. No. 5. 2016. Pp. 538545. DOI: 10.1134/S1064229316050033.

9. Каретин Л. Н. Почвы Тюменской области. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1990. 286 с.

10. Активное органическое вещество в серой лесной почве пахотных и залежных

земель / Н. Б. Зинякова, А. К. Ходжае-ва, А. С. Тулина и др. // Агрохимия. 2013. № 9. С. 3-14.

11. Еремин Д. И. Агрогенная трансформация чернозема выщелоченного Северного Зауралья: автореф. дис. ... доктора биол. наук. Тюмень, 2012. 34 с.

Humus Mineralization in Arable Chernozem at Application of Miner al Fertilizers

D. I. Eremin, A. A. Akhtyamova

State Agrarian University of the Northern Trans-Urals, ul. Respubliki, 7, Tyumen', 625003, Russian Federation

Abstract. Previously developed methods of calculating the balance of humus state of arable soils do not consider the impact of mineral fertilizers on the processes of mineralization and humification of organic matter. The calculated data significantly differ from the actual values of humus stocks. The aim of this work was to study the influence of mineral fertilizers on the mineralization of humus in an arable layer of leached chernozem. The studies were conducted at a station, located in the forest-steppe zone of the Trans-Urals. We studied the mineralization of humus against the natural soil fertility and at the application of various doses of mineral fertilizers, which ensured the planned yield of spring wheat and oat from 3.0 to 6.0 t/ ha. Over five years the content of humus in the variant without fertilizers in the 0-40 cm layer decreased from 6.27 to 6.01%, the coefficient of humus mineralization was 0.8% of the total content of humus. The application of fertilizers for the planned yield of 3.0 and 4.0 t/ha slightly stimulated soil microflora, which reduced the humus content from 6.85 to 6.46% in the absence of plant residues. The coefficient of mineralization corresponded to the common value - 1.0% of the humus content. In the fields with high soil fertility, ensuring the yield of cereals from 5.0 to 6.0 t/ha, soil microflora became active throughout the whole arable layer. Its activity led to a decrease in humus content from 6.06 to 5.61%. The mineralization coefficient increased to 1.5% of the humus content. The results obtained are necessary to optimize the balance model of humification in the arable soil in the case of application of mineral fertilizers.

Keywords: humus; arable chernozem; fertility; mineral fertilizers; coefficient of mineralization of humus; spring wheat; forest-steppe zone of the Trans-Urals.

Author Details: D. I. Eremin, D. Sc. (Biol.), prof. (e-mail: soil-tyumen@yandex. ru); A. A. Akhtyamova, quality assurance manager.

For citation: Eremin D. I., Akhtyamova A. A. Humus Mineralization in Arable Chernozem at Application of Mineral Fertilizers. Zemle-delije. 2018. No. 7. Pp. 16-18. (in Russ.). DOI: 10.24411/0044-3913-2018-10704.