Изменение агрофизических свойств чернозема выщелоченного при длитель ном использовании различных систем основной обработки и минеральных удобрений в Северном Зауралье

УДК 631.445.4:631.432(470.32) ВВ. Рзаева, Д.И. Еремин

ИЗМЕНЕНИЕ АГРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЧЕРНОЗЕМА ВЫЩЕЛОЧЕННОГО ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМ ОСНОВНОЙ ОБРАБОТКИ И МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ

В СЕВЕРНОМ ЗАУРАЛЬЕ

В статье приведены результаты исследований по влиянию различных систем основной обработки и длительного влияния минеральных удобрений на структурно-агрегатный состав и водопрочность агрегатов пахотного горизонта чернозема выщелоченного. Даны рекомендации по улучшению его агрофизических свойств.

Ключевые слова: водопрочность агрегатов, отвальная обработка, безотвальное рыхление, дифференцированная обработка, порозность аэрации.

V.V. Rzayeva, D.I. Yeremin CHANGE OF THE LEACHED CHERNOZEM AGROPHYSICAL PROPERTIES AT LONG USE OF THE DIFFERENT SYSTEMS OF MAIN PROCESSING AND MINERAL FERTILIZERS IN NORTHERN ZAURALYE

The research results on influence of various systems of the basic processing and mineral fertilizer long influence on the structurally-aggregate structure and water stability of the units of arable horizon of the leached chernozem are given in the article. Recommendations about its agrophysical property perfection are given.

Key words: unit water stability, mouldboard processing, boardless cultivation, differentiated processing, aeration porosity.

Главным условием улучшения физических свойств пахотных почв считалась благоприятная структура пахотного слоя. В.Р. Вильямс значительно развил учение о влиянии агрофизических показателей на продуктивность пашни, но разработанные им пути создания и поддержания агрономически ценной структуры с помощью многолетних трав, обязательного оборота пласта и в целом травопольной системы земледелия не нашли применения в условиях современной интенсивной практики ведения сельского хозяйства на черноземах.

В настоящее время можно считать общепризнанным, что структура и плотность сложения почв являются основными параметрами, определяющими их физические свойства и оказывающими решающее влияние на урожай. Проблема сохранения благоприятных агрофизических свойств черноземов не может быть решена без учета современного уровня интенсификации земледелия, характеризующегося высокой антропогенной нагрузкой за счет интенсивной механизации и химизации.

Объекты и методы исследований. Почва, где расположены стационары, - чернозем сильновыще-лоченный среднегумусный маломощный тяжелосуглинистый пылевато-иловатый на карбонатном покровном суглинке. Стационар кафедры земледелия был заложен в 1975 г. В опыте изучались следующие системы обработки почвы: отвальная, безотвальная, дифференцированная и нулевая. Севооборот с 1975 по 1989 г. зернопаропропашной (однолетние травы; пшеница; ячмень; кукуруза; пшеница; ячмень). С 1989 по 2010 г. -зернопаровой (однолетние травы, пшеница, овес - 1989-2004 гг.; однолетние травы, пшеница, пшеница -2005-2008 гг.). Обработка проводилась под предшественники первой группы на глубину 28-30 см, под зерновые на 20-22 см (1989-2004 гг.); с 2005 г. глубина обработки почвы под пшеницу, идущей первой после занятого пара, составляла 28-30 см.

Стационар кафедры почвоведения и агрохимии был заложен в 1995 г.; включает в себя контроль (без удобрений) и внесение удобрений на 3,0; 4,0; 5,0 и 6,0 т/га зерна яровой пшеницы и овса. Нормы удобрений рассчитывались ежегодно балансовым методом и вносились в весенний период под предпосевную культивацию.

Структурно-агрегатный состав (сухое просеивание) определялся методом Н.И. Саввинова; водопрочность агрегатов - на приборе И.М. Бакшеева; порозность аэрации рассчитывалась по общепринятой формуле. Дисперсионный анализ проводился по методике Б.А. Доспехова.

Результаты исследований и их обсуждение. Содержание агрономически ценных агрегатов (10,0-

0,25 мм) перед закладкой опыта в 1975 г. варьировало по участку незначительно - 65,5-68,6 % (табл. 1). За период с 1975 по 1989 г. на варианте с отвальной обработкой отмечено ухудшение структурного состояния пахотного слоя почвы (62,6 %), что на 6 % меньше первоначальных значений. Уменьшение агрономически

ценных агрегатов обусловлено вовлечением и перераспределением почвы с более глубокого слоя (2030 см), который также оструктурен, но агрегаты менее устойчивы к механической обработке, что связано с меньшим содержанием гумуса - коэффициент структурности снизился с 2,2 до 1,7 единицы [1].

Безотвальное рыхление и дифференцированная обработка не повлияли на структурно-агрегатный состав пахотного чернозема - отклонения были в пределах ошибки опыта (НСРо5=4,7). Чередование отвальной обработки с безотвальным рыхлением снизили негативный эффект, характерный для отвальной системы обработки, постепенно вовлекая и перемешивая слой 20-30 см с вышележащим. Коэффициент структурности при дифференцированной обработке остался на уровне 1975 г.

Отказ от глубоких обработок и переход на нулевую технологию за 14 лет увеличил содержание агрономически ценных агрегатов до 75,2 %, что объясняется минимальным воздействием на почву рабочих органов и движителей сельскохозяйственной техники. Структура пахотного горизонта не отличалась от залежного участка, где содержание агрегатов 10,0-0,25 мм достигло максимальных значений среди изучаемых вариантов - 77,8 %.

Период с 1989 по 2008 г. характеризовался переходом на новый севооборот (однолетние травы, яровая пшеница, овес) и полным отказом от внесения органических удобрений, которые использовались в 1975-1989 гг.

Таблица 1

Структурно-агрегатный состав пахотного горизонта чернозема выщелоченного при различных системах основной обработки почвы

Основная обработка почвы (фактор А) Содержание агрегатов (10-0,25 мм), % Коэффициент структурности

Г од

1975* 1989* 2008 1975 г. 1989 г. 2008 г.

Отвальная 68,6 62,6 79,8 2,2 1,7 3,9

Безотвальная 65,7 69,3 77,5 1,9 2,3 3,4

Дифференцированная 65,7 66,0 78,5 1,9 1,9 3,6

Нулевая 65,9 75,2 53,7 1,9 3,0 1,2

Залежь 65,5 77,8 89,0 1,9 3,5 8,1

Примечание. НСР05: фактор А = 3,5; В=4,7; * - данные Н.В. Абрамова [2].

За 18 лет структура пахотного слоя чернозема выщелоченного улучшилась на вариантах с отвальной, безотвальной и дифференцированной обработкой: содержание агрономически ценных агрегатов варьировало от 78,5 до 79,8 % в пределах ошибки опыта (НСРо5=3,5). При нулевой обработке произошло значительное ухудшение структурно-агрегатного состава в слое 0-30 см - содержание агрегатов (10-0,25 мм) достигло минимальных значений - 53,7 %, при этом коэффициент структурности снизился в 2,5 раза относительно 1989 г. и на 0,7 стал меньше коэффициента 1975 г. Таким образом, можно утверждать, что временный положительный эффект от нулевой обработки, проявившийся в первые годы ее использования, будет утерян в дальнейшем.

Ситовой анализ слоя 0-30 см залежного участка показал, что структура при отсутствии каких-либо механических обработок существенно улучшилась и процесс идет до настоящего времени. За 33 года содержание агрегатов размером 10-0,25 мм увеличилось с 65,5 до 89 %, то есть за 1 год - 0,74 %. Необходимо отметить, что максимальная скорость структурообразования агрономически ценных агрегатов отмечена во второй период исследований (1989-2008 гг.), о чем свидетельствует коэффициент структурности, увеличившийся с 3,5 до 8,1, то есть почти в 2,3 раза, тогда как за период 1975-1989 гг. коэффициент увеличился в 1,8 раза.

По данным Н.А. Качинского, бесструктурная почва может стать «оструктуренной» за счет завышенного выхода агрегатов, которые разрушаются при намачивании, поэтому необходимо определение водопрочных почвенных агрегатов [3]. Наши исследования показали, что при появлении естественной растительности содержание водопрочных агрегатов увеличилось с 55,9 до 70,3 % за период 1975-2008 гг. (рис. 1). Учитывая, что 33-летняя некосимая залежь соответствует целинному участку, то данный показатель водопрочности будет являться «потолком» для чернозема выщелоченного Северного Зауралья, к которому необходимо стремиться при сельскохозяйственном использовании данного типа почв. Длительное использование изучаемых систем основной обработки не способствовало достижению водопрочности, соответствующей залежному участку. За период с 1975 по 1989 г. при отвальной обработке произошло уменьшение водопрочных агрегатов в слое 0-30 см с 57,4 до 48,6 %, причем необходимо учесть использование органических удобре-

ний в этот период, что стабилизировало гумусное состояние пахотного горизонта [2]. Столь сильное снижение водопрочности объясняется вовлечением в пахотный горизонт менее гумусированного слоя (20-30 см), а также более сильной аэрацией верхнего горизонта, что усиливает процесс минерализации органического вещества при непосредственном участии микроорганизмов. В последующие годы водопрочность агрегатов увеличилась до 52,3 %, что связано с применением соломы, вместо полуперепревшего навоза и сидератов, а также формированием однородного по водопрочности пахотного горизонта. Это подтверждается отсутствием резких скачков по содержанию водопрочной структуры на варианте с безотвальным рыхлением. В 1975 году она составила 57 %, в первый период (1975-1989 гг.) ухудшения не произошло - отклонения были в пределах ошибки опыта. Однако в последующие годы содержание водопрочной структуры снизилось до 51,8 %, что обусловлено уменьшением поступления органических остатков в пахотный слой и концентрацией их на поверхности, где происходит почти полная минерализация соломы и стерни. В почве подвержены гумификации только корни и частично проникшая при обработке солома. Рыхление на глубину 28-30 см способствует проникновению кислорода и поддерживает минерализацию гумуса на достаточно высоком уровне, что в конечном итоге приводит к дифференциации пахотного горизонта как по гумусированности, так и водопроч-ности почвенных агрегатов.

Рис. 1. Содержание водопрочных агрегатов >0,25 мм в слое 0-30 см чернозема выщелоченного в зависимости от системы основной обработки, %

При дифференцированной обработке складываются более благоприятные условия для формирования водопрочной структуры. С 1975 по 1989 г. количество агрегатов не изменилось - 54,5 % - и соответствовало безотвальной обработке. В 2008 г. дифференцированная обработка оказалась единственной, которая увеличила водопрочность до 59,0 %, существенно опередив отвальную и безотвальную обработки, что доказывает эффективность дифференцированной обработки относительно предыдущих.

Наиболее интересны результаты по нулевой обработке, которая затрагивает только верхний десятисантиметровый слой и имеет минимальное механическое воздействие на почву, тем самым существенно приближаясь к условиям залежи. Однако улучшение водопрочности было отмечено только в период 19751989 гг., где этот показатель составил 60 %, но в последующие годы произошло снижение водопрочности до 50,8 %, что меньше 1975 г. Этот факт подтверждает неэффективность длительного использования нулевой обработки почвы.

В целом необходимо отметить, что все системы основной обработки, за исключением дифференцированной, ухудшают водопрочность почвенных агрегатов в пахотном горизонте чернозема выщелоченного, но причины снижения разные. Отвальная обработка, перемешивая пахотный слой, перемещает растительные остатки вглубь, тем самым улучшая гумификацию, и повышает аэрацию верхнего слоя, что способствует увеличению активности почвенной микрофлоры. Безотвальная и нулевая обработки концентрируют рас-

тительные остатки на поверхности, где они минерализуются, при этом гумус образуется в меньших количествах и накапливается, главным образом, в верхнем десятисантиметровом слое, что приводит к дифференциации пахотного горизонта и снижению водопрочности почвенных агрегатов.

Ухудшение структурно-агрегатного состояния негативно влияет на другой агрофизический показатель

- порозность (пористость) аэрации, который, как отмечает Т.П. Коковина, для черноземов не так актуален, так как они редко находятся при влажности, соответствующей наименьшей влагоемкости. Однако в Северном Зауралье в весенний период довольно часто в подпахотных слоях отмечается влажность, соответствующая наименьшей влагоемкости, причем пахотный слой может оказаться и иссушенным. В итоге корни растений, стремясь вглубь почвы за водой, оказываются в слоях с минимальной порозностью аэрации, что приводит к их угнетению и снижению продуктивности пашни.

Перед закладкой опыта порозность аэрации была в пределах оптимума по всему метровому слою. В верхней части (0-30 см) она составляла 15-18 % от объема почвы, в подпахотном слое - 21-23 % (табл. 2). В слое 50-60 см порозность аэрации была ниже на 8%, что характерно для старопахотных черноземов [5]. За 33 года отвальной обработки порозность аэрации в пахотном горизонте не снизилась - отклонения в пределах ошибки опыта. Достоверное увеличение данного показателя отмечено при дифференцированной обработке, но только в слое 0-10 см, а в слое 10-30 см отклонений нет.

Таблица 2

Порозность аэрации чернозема выщелоченного при различных системах основной обработки,

% от объема почвы

Слой почвы, см Перед закладкой опыта, 1975 г. Система основной обработки, 2008 г. НСР05

Отваль- ная Безот- вальная Дифференци- рованная Нулевая Залежь

0-10 17 16 11 22 12 35 2,2

10-20 15 13 12 16 10 31 2,6

20-30 18 18 18 17 20 24 2,0

30-40 21 16 11 19 11 27 2,3

40-50 23 19 12 20 22 17 2,2

50-60 15 16 14 17 17 20 2,8

60-70 21 17 17 22 21 29 2,8

70-80 24 19 17 21 21 29 2,5

80-90 24 24 25 23 23 22 3,6

90-100 21 17 19 19 19 20 3,5

Необходимо отметить безотвальную обработку, где произошли существенные изменения. Слой 0-20 см характеризовался пониженной порозностью аэрации - 11-12 % от объема почвы, что уже недостаточно для нормальной жизнедеятельности корней. Благодаря повышенной диффузии верхнего слоя (0-10 см), условия аэрации будут вполне благоприятными, но в слое 10-20 см вероятность угнетения вполне реальная. Слой 2030 см существенных изменений не претерпел. Однако порозность аэрации при дифференцированной обработке улучшилась только в слое 0-10 см - 22 % от объема почвы, что на 5% выше значений 1975 г. Чередование обработок позволило избежать снижения порозности аэрации в слое 0-10 см, которая оставалась на уровне 1975 г.

Прямой посев зерновых при нулевой системе обработки почвы негативно повлиял на порозность аэрации в слое 0-20 см - 10-12 % от объема почвы. Снижение произошло за счет ухудшения структурноагрегатного состояния, так как механические обработки минимальны и не могли привести к деформации почвенных агрегатов, отвечающих за пористость почвы.

За 33 года произошло снижение порозности аэрации в слое 30-40 см, причем по всем системам обработки почвы, за исключением дифференцированной. На залеже отмечено улучшение данного показателя, что указывает на антропогенный фактор ухудшения агрофизических свойств чернозема выщелоченного.

Мнения по влиянию минеральных удобрений на агрофизические свойства до настоящего времени неоднозначны и в настоящее время существуют три точки зрения на этот вопрос: большая часть исследователей утверждают, что минеральные удобрения не оказывают влияния на физические свойства почвы. Однако имеются данные, показывающие как ухудшение, так и улучшение структурно-агрегатного состава, водопроницаемости и пористости почвы [6]. При этом все сходятся в едином мнении - отрицательное действие про-

является при использовании высоких норм удобрений в течение длительного периода использования. В условиях интенсификации земледелия это становится особенно актуальным, так как химическая нагрузка на почву из года в год усиливается.

Наши исследования показали, что структурно-агрегатный состав старопахотного чернозема выщелоченного перед закладкой опыта был оптимальным и соответствовал целинному участку - 86,0-89,2 %. Столь высокое содержание агрономически ценных агрегатов объясняется относительно коротким периодом использования почвы под пашней относительно стационара кафедры земледелия.

С 1995 г. на стационаре вносились удобрения на запланированную урожайность зерновых культур, что позволило проследить динамику агрофизических показателей при различной интенсивности использования минеральных удобрений. Из органических удобрений использовалась только солома с изучаемых делянок и пожнивно-корневые остатки. За 5 лет содержание агрономически ценной структуры (10,0-0,25 мм) на контроле уменьшилось с 88,7 до 83,4 %, что указывает на неэффективность возделывания зерновых культур без удобрений в зернопаровом (с занятым паром) севообороте (табл. 3). Образующегося количества растительных остатков явно недостаточно для поддержания структуры на одном уровне. Коэффициент структурности подтверждает этот факт - он снизился с 7,8 до 5,0 единиц. Дальнейшее отсутствие органических и минеральных удобрений привело к дальнейшему ухудшению структурно-агрегатного состава - коэффициент снизился до 3,3, то есть почти в 2,4 раза относительно 1995 г.

Наиболее интересные результаты получены на вариантах с планируемой урожайностью зерна 3,0 и 4,0 т/га. В первые годы структурное состояние пахотного горизонта при внесении удобрений на 3,0 т/га не изменилось - коэффициент структурности снизился с 6,4 до 5,8 единиц, отклонение было в пределах ошибки опыта.

Таблица 3

Структурно-агрегатный состав пахотного горизонта чернозема выщелоченного при длительном использовании минеральных удобрений

Планируемая урожайность (фактор А) Содержание агрегатов 10,0-0,25 мм, % Коэффициент структурности

Г од

1995 2000 2009 1995 г. 2000 г. 2009 г.

Контроль 88,7 83,4 76,8 7,8 5,0 3,3

ИРК на 3,0 т/га 86,4 85,3 72,9 6,4 5,8 2,7

ИРК на 4,0 т/га 89,2 71,3 71,0 8,3 2,5 2,4

ИРК на 5,0 т/га 86,0 68,6 62,9 6,1 2,2 1,7

ИРК на 6,0 т/га 88,3 73,4 63,2 7,5 2,8 1,7

Повышение уровня питания (ИРК на 4,0 т/га и выше) негативно повлияло на структурно-агрегатный состав. Содержание агрономически ценных агрегатов варьировало от 68,6 до 73,4 %. Учитывая, что растительных остатков на этих вариантах образуется больше, то ухудшение обусловлено более высокой интенсивностью минерализации под действием удобрений [7]. Выделяется вариант с внесением ИРК на 4,0 т/га зерна, на котором произошло снижение агрономически ценных агрегатов в первые 5 лет с 89,02 до 71,0 %, однако в последующие годы ухудшения не обнаружены - коэффициент структурности не изменился и составил 2,4-2,5 единицы. Это указывает на стабилизацию процессов поступления растительных остатков в почву и их минерализацию.

Несмотря на более высокую продуктивность вариантов с планируемой урожайностью 5,0 и 6,0 т/га, структурно-агрегатный состав ухудшился, коэффициент структурности уменьшился почти в 3 раза и достиг минимальных значений - 1,7 единицы, что объясняется совокупностью ряда факторов, таких, как неполучение планируемой урожайности вследствие неблагоприятных погодных условий, усиление биологической активности почвы на протяжении всего вегетационного периода [7].

Мокрое просеивание подтвердило негативное влияние минеральных удобрений, особенно при внесении на планируемую урожайность 5,0 и 6,0 т/га. Выращивание зерновых культур без использования удобрений снизило водопрочность агрегатов с 82,5 до 77,6 %, однако в дальнейшем процесс структурообразования стабилизировался (рис. 2). Внесение ИРК на 3,0 и 4,0 т/га зерна способствовал поддержанию водопрочной структуры пахотного горизонта в течение длительного времени.

Рис. 2. Содержание водопрочных агрегатов >0,25 мм в слое 0-30 см чернозема выщелоченного при длительном использовании минеральных удобрений, %

Диспергирующий эффект минеральных удобрений в полной мере отмечается на варианте с максимальной нормой удобрений (ИРК на 6,0 т/га зерна). Причем этот эффект проявляется в первые годы исследований, тогда как при планировании урожайности 5,0 т/га негативное влияние становится заметным только в период 2000-2009 гг. На других вариантах столь сильного снижения водопрочности не отмечено. Данные результаты исследований указывают на необходимость кардинального пересмотра системы обработки и удобрений в условиях интенсификации земледелия.

Столь сильные отклонения структурно-агрегатного состава пахотного горизонта не могли не повлиять на порозность аэрации старопахотного чернозема. Учитывая единую (отвальную) систему основной обработки почвы, мы не приводим данные по подпахотным горизонтам, так как непосредственное влияние удобрений отмечено только в верхних слоях.

20 -

3

т

18 - —1-----------------------------------------------——---------------------------------------------------

го

г

ф

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

1995 г.  2009 г. |

Рис. 3. Порозность аэрации пахотного горизонта (0-30 см) чернозема выщелоченного при длительном использовании минеральных удобрений, % от объема почвы

Анализ порозности аэрации показал, что на контроле и вариантах с внесением удобрений на урожайность до 4,0 т/га зерна ухудшения не обнаружены - 15-18 % от объема почвы, что характерно для пахотных черноземов (рис. 3). Однако вызывают опасения варианты с максимальным насыщением минеральных удобрений, где происходит снижение данного показателя с 16-17 до 14-13 % от объема почвы. Исходя из того, что минимальной порозностью аэрации для развития растений является 8 % от объема почвы, то негативного эффекта для зерновых нет, хотя тенденция ухудшения имеется.

Выводы

1. Содержание агрономически ценных агрегатов в пахотном горизонте чернозема выщелоченного при отвальной, безотвальной и дифференцированной обработках повышается до 77,5-79,8 %, а при нулевой системе происходит резкое снижение до 53,7 %.

2. Дифференцированная обработка почвы способствует улучшению водопрочности агрегатов пахотного горизонта с 56,2 до 49 %.

3. Безотвальная и нулевая системы обработки за 33 года сформировали горизонты с минимальной порозностью аэрации: в слое 30-40 см - 11 % от объема почвы; при отвальной и дифференцированной обработках она была выше - 16-19 % от объема почвы.

4. Длительное применение минеральных удобрений ухудшает структурно-агрегатное состояние пахотного чернозема выщелоченного - коэффициент структурности за 1995-2009 гг. снизился в 2-3 раза относительно первоначального уровня (6,1-8,3 ед.), но ухудшение водопрочности отмечено только при внесении удобрений на планируемую урожайность 5,0 т/га и выше.

5. Порозность аэрации пахотного горизонта при использовании минеральных удобрений на планируемую урожайность до 4,0 т/га не изменяется и варьирует от 15 до 18 % от объема почвы. Дальнейшее увеличение норм минеральных удобрений негативно отражается на порозности аэрации, которая к 2009 г. снизилась с 16-17 до 14-13 % от объема почвы.

Литература

1. Еремин Д.И., Еремина Д.В., Фисунова Ж.А. Физические свойства выщелоченных чернозёмов Северного Зауралья в условиях длительного сельскохозяйственного использования //Аграр. вестн. Урала. -Екатеринбург, 2009. - № 4. - С. 15-19.

2. Абрамов Н.В. Совершенствование основных элементов систем земледелия в лесостепи Западной Сибири: дис. ... д-ра с.-х. наук. - Омск, 1992. - 313 с.

3. Качинский НА Структура почвы. Итоги и перспективы изучения вопроса. - М.: Изд-во МГУ, 1963. - 100 с.

4. Коковина Т.П. Водный режим мощных черноземов и влагообеспеченность на них сельскохозяйственных культур. - М.: Колос, 1974. - 300 с.

5. КаретинЛ.Н. Черноземные и луговые почвы Зауралья и Тобол-Ишимского междуречья: дис. ... д-ра биол. наук. - Тюмень, 1977. - 462 с.

6. Медведев В.В. Изменение агрофизических свойств черноземов в условиях интенсивного накопления // Проблемы почвоведения. Советские почвоведы к XII междунар. конгр. почвоведов. - М.: Колос, 1984.

- С. 60-74.

7. Еремин Д.И., Молодых А.С. Изменение микробиологической активности выщелоченного чернозема при различном уровне минерального питания яровой пшеницы в условиях северной лесостепи // Актуальные проблемы агрономии и агроэкологии: сб. науч. тр. - Тюмень: Изд-во ТГСХА, 2002. - С. 71-73.

'--------♦-----------