Оценка запасов продуктивной влаги под озимой пшеницей в условиях неоднородного рельефа

УДК 631.4

ОЦЕНКА ЗАПАСОВ ПРОДУКТИВНОЙ ВЛАГИ ПОД ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЕЙ В УСЛОВИЯХ НЕОДНОРОДНОГО РЕЛЬЕФА

О. А. Анциферова, Е. Д. Самарина

EVALUATION OF PRODUCTIVE MOISTURE RESERVES UNDER WINTER WHEAT IN CONDITIONS OF HETEROGENEOUS RELIEF

O. A. Antsiferova, E. D. Samarina

Исследования проведены в апреле-июле 2017 г. на пахотном поле в Зеленоградском районе Калининградской области. Для сельскохозяйственных угодий в условиях холмисто-моренного рельефа типичен сложный гидрологический режим почв. В западной части региона доминируют буроземы. К началу возобновления вегетации озимой пшеницы запасы продуктивной влаги в пахотном слое буроземов на вершинах холмов и склонах были удовлетворительными и хорошими. Интенсивное минеральное питание озимой пшеницы способствует усиленному водопотреблению и быстрому иссушению пахотного слоя в буроземах. Дефицит влаги (ниже 20 мм) продолжался со второй половины мая до конца июня. Осадки, выпавшие в июне (61 мм), практически полностью расходовались на потребление пшеницей. За изученный период выращивания культуры запасы продуктивной влаги в слое 0 - 100 см буроземов были достаточными для формирования высоких урожаев. Худшую влагообеспеченность имел бурозем эродированный супесчаный с подстиланием песком. Но запасы продуктивной влаги в этом ареале не опускались ниже критической отметки 60 мм для слоя 0 - 100 см. Период плохих влагозапасов (60 - 90 мм) составил около 40 дней в мае - июне. Установлена пространственная контрастность влажности на поле. Большинство почв оглеены и осушаются системой закрытого дренажа. Основной проблемой является неудовлетворительное состояние осушителей вследствие различных нарушений. Поэтому большая доля почв находится в состоянии переувлажнения. В замкнутых понижениях располагаются дерново-глеевые почвы. В этих ареалах наблюдалось поверхностное заболачивание, что привело к гибели посевов. Пахотный слой до конца мая имел очень высокую влажность. Запасы продуктивной влаги оцениваются как избыточные в слое 0 - 100 см с апреля по июль (свыше 200 мм). Переувлажнение приводит к недобору урожая в почвах понижений. Необходимо регулирование поверхностного стока для предотвращения осеннего и весеннего заболачивания и улучшения состояния дерново-глеевых почв.

буроземы, дерново-глеевые почвы, озимая пшеница, запасы продуктивной

влаги

The research was carried out in April - July 2017 in the arable field in the Zelenogradsk district of the Kaliningrad region. Agricultural lands in conditions of

hilly-moraine relief are characterized by complex hydrological regime of soils. Burozems (brown forest soils) dominate in the Western part of the region. By the beginning of the resumption of winter wheat vegetation, productive moisture reserves in the arable layer of the burozems on hilltops and slopes were satisfactory and good. Intensive mineral nutrition of winter wheat contributes to increased water consumption and rapid drying of the arable layer in the burozems. The moisture deficit (below 20 mm) lasted from the second half of May to the end of June. Precipitation in June (61 mm) was almost completely spent on wheat consumption. Over the period studied, productive moisture reserves in the layer 0 - 100 cm of burozems were sufficient for formation of high yields. Eroded sandy loam with sand underlain had the worst moisture content. But productive moisture reserves in this area did not fall below the critical level of 60 mm for the layer 0-100 cm. The period of poor moisture reserves (60 - 90 mm) was about 40 days in May - June. The spatial contrast of humidity in the field has been found. Most of the soils are gleyed and drained by a closed drainage system. Therefore, a large proportion of soils are in a state of excessive moistening. In closed depressions, there are sod-gley soils. In these areas, surface waterlogging was observed, which led to the destruction of crops. The arable layer had a very high humidity before the end of May. Productive moisture reserves are rated as surplus in the 0 - 100 cm layer from April to July (over 200 mm). Excessive moistening leads to a shortage of yield in the soils of depressions. It is necessary to regulate surface runoff to prevent autumn and spring waterlogging and improve the state of sod-gley soils.

burozem, sod-gley soils, winter wheat, productive moisture reserves, waterlogging

ВВЕДЕНИЕ

Влагообеспеченность почв - ключевой фактор земледелия. Исследование закономерностей формирования и динамики запасов продуктивной влаги является основой для построения моделей управления продукционным процессом [1 - 4]. Это особенно актуально на фоне тренда к глобальному изменению климата.

В условиях неоднородного рельефа холмисто-моренных равнин и гумидного климата выражена контрастность гидрологических условий, что напрямую влияет на урожайность сельскохозяйственных культур.

Калининградская область расположена в зоне избыточного увлажнения. Её особенностью является широкое распространение осушительных мелиоративных систем. Регулирование влажности почв - первостепенная задача для увеличения эффективности земледелия. Вместе с тем крайне мало информации о современном состоянии и динамике влагозапасов в почве. Данные агроклиматического справочника относятся к середине ХХ в. [5].

Цель исследования: выявить особенности динамики запасов продуктивной влаги в почвах разной степени гидроморфизма в условиях пахотного поля в холмисто-моренном агроландшафте.

Задачи: 1) изучить особенности почвенного покрова; 2) определить запасы продуктивной влаги в пахотном слое (0 - 20 см) и метровой толще (0 - 100 см) в основной период выращивания озимой пшеницы (с апреля по июль 2017 г.); 3) выявить закономерности пространственной и временной динамики запасов продуктивной влаги.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Исследования выполнены в 2017 г. Ключевой участок «Перелески» находится в Зеленоградском районе Калининградской области, в пределах Самбийской моренной равнины. Поле имеет холмисто-волнистый рельеф, сформировавшийся под влиянием последнего Валдайского оледенения. Диагностика почв проводилась согласно классификации 1977 г. [6].

Запасы продуктивной влаги во многом зависят от геоморфологических особенностей. Поэтому бурение проводилось на 12 полигонах, включающих по четыре ареала почв из трех групп: 1) буроземы на вершинах холмов; 2) буроземы на склонах; 3) дерново-глеевые почвы в понижениях.

Режим влажности почв изучался буровым методом с послойным отбором проб каждые 10 см. Определялись следующие показатели: полевая влажность термостатно-весовым способом, плотность сложения методом режущих колец, плотность твердой фазы - пикнометрическим методом. Запасы продуктивной влаги рассчитывались как разница между полевой влагоемкостью и влажностью завядания, оценка проведена по рекомендованной в отечественном почвоведении шкале [7, с. 151]. Пробные снопы озимой пшеницы убирались в фазу полной спелости на всех ареалах бурения с площадок 1 м2 в четырехкратной повторности. Статистическая и графическая обработка экспериментальных данных выполнена в программе Excel.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Преобладающими почвообразующими породами являются глубоко выщелоченные моренные валунные легкие опесчаненные суглинки и супеси с прослойками средних и тяжелых суглинков в пределах двухметровой толщи отложений. В понижениях породы часто слоистого характера: суглинки, супеси, линзы глин на участках, где располагались локальные ледниковые водоемы. Карбонаты выщелочены на глубину около 1 м. Почвенный покров представлен типичными для западной части региона комбинациями: сочетаниями - мозаиками. На автономных позициях рельефа (вершины холмов) располагаются буроземы окультуренные неоглеенные и глееватые по причине наличия прослоек тяжелых пород или заиленных горизонтов [8]. Для замкнутых понижений типичны дерново-глеевые среднесуглинистые почвы. Оглеенные почвы на поле осушаются системой закрытого дренажа со сбросом вод в открытые каналы К10(20) и К7(17). Глубина заложения гончарного дренажа на склонах 80 - 110, в понижениях - 4060 см. Обследование показало, что устьевые оголовки закрытого дренажа в откосах каналов в настоящее время засыпаны. Это блокирует сток из закрытых осушителей в магистральные каналы. В 2012-2013 гг. по территории поля был проложен газопровод, что вызвало частичное нарушение дренажа. Таким образом, мелиоративное состояние поля неудовлетворительное. Проведенные исследования установили, что в весенний период в метровой толще буроземов на склонах образуются верховодки. Дерново-глеевые почвы в понижениях подвергались поверхностному заболачиванию до середины мая 2017 г. [9].

В период исследований на поле выращивалась озимая пшеница сорта Скипетр по интенсивной технологии, включавшей комплексную химическую защиту посевов (пять обработок за весь цикл выращивания), предпосевное

внесение удобрений N24P45K90 и три подкормки: в период возобновления вегетации (аммонийная селитра N70), конец кущения (полифоска 21 N21Mg4S35), флаговый лист (аммонийная селитра N52). Уборка проводилась в первой декаде августа. Поэтому основной период водопотребления культуры пришелся на апрель - июль.

По информации метеостанции г. Калининграда в 2017 г. выпало 1090 мм осадков, при том, что средняя многолетняя норма составляет 781 мм [10]. Год выдался экстремально влажным. Однако с апреля по июль количество осадков составило 250 мм, что близко к средним многолетним данным (1949 - 2013 гг.) за этот же период - 242 мм. Самым засушливым месяцем оказался май (табл. 1).

Таблица 1. Распределение осадков и температуры воздуха в период вегетации озимой пшеницы с апреля по июль 2017 г.

Table 1. Distribution of precipitation and air temperature during the growing season of winter wheat from April to July 2017_

Месяц Среднемесячная температура, 0С Количество осадков, мм

Апрель 6,2 67

Май 12,9 9,5

Июнь 16,0 61

Июль 17,0 112

Пространственная и временная динамика запасов продуктивной влаги в трех группах почв отражена на рис. 1 - 3.

В буроземах на вершинах холмов в апреле запасы влаги в пахотном горизонте (0 - 20 см) удовлетворительные (20 - 40 мм) и хорошие (более 40 мм). Снижение запасов началось со второй половины мая, что связано с биологическим иссушением почвы. Этот период продолжался полтора месяца. Увеличение запасов продуктивной влаги вызвали выпавшие в первой половине июля осадки (рис. 1).

В буроземах, расположенных на склонах холмов, наблюдались такие же закономерности, как и в почвах вершин. Худшими запасами влаги отличался ареал бурозема супесчаного с подстиланием песками (П110) ввиду неудовлетворительных водно-физических свойств.

Избыточные запасы влаги выявлены в ареалах дерново-глеевых почв, расположенных на пониженных элементах рельефа, что показано на рис. 3. В этих почвах, несмотря на сухие периоды, запасы влаги не опускались ниже отметки в 20 мм, являющейся критической. Влажность пахотного слоя находилась в диапазоне от наименьшей до полной влагоемкости, что приводило к неудовлетворительному водно-воздушному режиму.

Перейдем к изучению запасов продуктивной влаги в метровой толще. Весной в группе почв вершин, в зависимости от гранулометрического состава, их количество составило 185 - 230 мм. На протяжении периода вегетации озимой пшеницы запасы продуктивной влаги в данных ареалах не опускались ниже 80 мм (рис. 2).

В группе почв склонов в апреле запасы влаги были избыточными - выше 200 мм. Плохие запасы здесь обнаружились только в ареале бурозема супесчаного с подстиланием песком в период, когда наблюдалось биологическое иссушение

почвы. В остальных почвах в это время запасы оценивались как хорошие и удовлетворительные.

В ареалах дерново-глеевых почв, расположенных в замкнутых понижениях и подверженных длительному переувлажнению, на протяжении всего периода вегетации в метровой толще запасы продуктивной влаги были оценены как избыточные. В открытых понижениях (ареал 534) такие запасы влаги наблюдались лишь с апреля по май, а начиная с июня, они перешли в категорию хороших и очень хороших (рис. 3).

Обильное минеральное питание пшеницы способствовало формированию густого стеблестоя и интенсивному водопотреблению на буроземах. Однако повышенная кислотность этих почв (средняя величина рН^ 4,5) не позволила реализовать продукционный потенциал сорта [9]. Тем не менее в условиях оптимального увлажнения экологически пластичный сорт Скипетр показал хорошую урожайность (табл. 2). Худшие показатели отмечались на буроземах супесчаного состава с подстиланием песком, расположенных на склонах, подверженных водной эрозии. Особенно ярко снижение урожайности проявляется на фоне повышенного содержания обменного алюминия в пахотном горизонте (ареал П110). Средняя урожайность (по данным ручного обмолота) на буроземах вершин холмов составила 5,6 ± 0,6 т/га, на доминирующих глееватых почвах склоновых поверхностей 4,9 ±0,8 т/га. В замкнутых понижениях произошла полная гибель посевов из-за осенне-весеннего поверхностного заболачивания. Только на отдельных ареалах дерново-глеевых почв в открытых понижениях урожайность составила в среднем 2,1 т/га за счет стимулирования роста культуры вследствие миграции нитратного азота с повышений и склонов.

Таблица 2. Урожайность озимой пшеницы на буроземах

Table 2. Winter wheat yield on burozems

Рельеф, почва, номер площадки Буроземы ве шин холмов Буроземы склонов

511 486 514 510 П110 532 515 483

Урожай, т/га 4,5 5,7 5,3 7,0 1,9 3,9 5,6 5,8

ВЫВОДЫ

1. Основным фактором дифференциации почвенного покрова в холмисто-моренных ландшафтах является рельеф. Поэтому для таких полей типичен сложный гидрологический режим почв.

2. В почвенном покрове агроландшафтов западной части Калининградской области доминируют буроземы. В замкнутых понижениях располагаются дерново-глеевые почвы. Большинство почв поля оглеены и осушаются системой закрытого дренажа, который в настоящее время частично нарушен. Поэтому развивается грунтовое и поверхностное переувлажнение.

3. К началу возобновления вегетации озимой пшеницы запасы продуктивной влаги в пахотном слое буроземов на вершинах холмов и склонах были удовлетворительными и хорошими. В ареалах дерново-глеевых почв наблюдалось поверхностное заболачивание, что привело к гибели посевов.

LtJ 2

Б

I 1 1 I

I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I

Я

Ь'-Ч-

-с ж о*

ж

§

»

то

0

s

1

5

С

^

С

Ос

Ареал 511

Ареал 486

Ареал 514

Ареал 510

Буроземы вершин холмов

Я

I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I

I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I

п.

и

I 1 1 I

л

I 1 1 I

6161

51 51

41 41

31 31

21 21

К 10

I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I

Ареал П110

Ареал 532

Ареал 515

Ареал 483

Буроземы глееватые склонов

Запас продуктивной влаги, мм

»критическое значение

Рис. 1. Запасы продуктивной влаги с апреля по июль 2017 г. в буроземах

IV

V

VI

IV

V

VI

IV

V

VI

IV

V

VI

1

IV

V

VI

IV

V

VI

IV

V

VI

IV

V

VI

I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I

I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I

20 200

15150

10100

0 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I IV V V VI

I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I

3

-c ж о*

Ж §

»

то ТО

S

I »

№ 5

С

Ос

Ареал 511

Ареал 486

Ареал 514

Ареал 510

Буроземы вершин холмов

I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I

'50

'00

250

200

150

100

I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I

250

200

150

100

I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I

I 1 1 I

0 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I 1 1 I

Ареал П110

Ареал 532

Ареал 515

Ареал 483

Буроземы глееватые склонов

Запас продуктивной влаги, мм

»критическое значение

Рис. 2. Запасы продуктивной влаги с апреля по июль 2017 г. в буроземах

LtJ LtJ

50

100

50

50

50

50

)0

0

IV

V

VI

IV

V

VI

IV

V

VI

25

50

IV

V

VI

IV

V

VI

IV

V

VI

IV

V

VI

Ареал 524

Ареал 533

Ареал 534

Ареал 522

Пахотный слой

330

330

I 1 1 I

V

I 1 1 I VI

Слой 0 - 100 см

Запас продуктивной влаги, мм

»критическое значение

IV

V

VI

IV

V

VI

V

V

VI

IV

V

VI

V

VI

IV

V

VI

IV

Рис. 3. Запасы продуктивной влаги с апреля по июль 2017 г. в дерново-глеевых почвах Fig. 3. Productive moisture reserves from April to July 2017 in sod-gley soils

4. Интенсивное минеральное питание озимой пшеницы способствует усиленному водопотреблению и быстрому иссушению пахотного слоя в буроземах. Дефицит влаги (ниже 20 мм) продолжался со второй половины мая до конца июня. Однако запасы продуктивной влаги в слое 0 - 100 см были оптимальными для формирования высоких урожаев культуры.

5. Бурозем эродированный супесчаный с подстиланием песком имеет худшую влагообеспеченность. Но запасы продуктивной влаги в этом ареале не опускались ниже критической отметки 60 мм для слоя 0 - 100 см, а период плохих влагозапасов (60 - 90 мм) составил около 40 дней. Резкое снижение урожайности озимой пшеницы было связано с высокой кислотностью почвы.

6. В дерново-глеевых почвах замкнутых депрессий пахотный слой до конца мая имел очень высокую влажность. Запасы продуктивной влаги в этих почвах оцениваются как избыточные в слое 0 - 100 см с апреля по июль (свыше 200 мм).

7. Установлена пространственная контрастность запасов продуктивной влаги на поле. Это приводит к недобору урожая в почвах понижений. Необходимо регулирование поверхностного стока для предотвращения осеннего и весеннего заболачивания и улучшения состояния дерново-глеевых почв.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Вериго, С. А. Почвенная влага (применительно к запросам сельского хозяйства) / С. А. Вериго, Л. А. Разумова. - Ленинград: Гидрометеоиздат, 1973. -328 с.

2. Twerdoff, D. A. Soil water regimes of rotationally grazed perennial and annual forages. / D. A Twerdoff, D. S. Chanasyk, M. A. Naeth, V.S. Baron // Can. J. Soil Sci. 79. - 1999. P. 627-637.

3. Da Silva, A.P. Characterization of the least limiting water range of soils / A.P. . Da Silva, B.D. Kay, E. Perfect // Soil Sci. Soc. Am. J. 1994. № 58. P. 1775 - 1781.

4. Лебедева, В. М. Основы сельскохозяйственной метеорологии. Т. II. Методы расчетов и прогнозов в агрометеорологии. Кн. 2. Оперативное агрометеорологическое прогнозирование / В. М. Лебедева, А. И. Страшная; под ред. А. Д. Клещенко, И. Г. Грингофа. - Обнинск: ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД», 2012. - 216 с.

5. Агроклиматический справочник по Калининградской области. -Ленинград: Гидрометеорологическое изд-во, 1961. - 130 с.

6. Классификация и диагностика почв СССР / сост. В. В. Егоров [и др.]. -Москва: Колос, 1977. - 224 с.

7. Вадюнина, А. Ф. Методы исследования физических свойств почв / А. Ф. Вадюнина, З. А. Корчагина. - Москва, 1986. - 335 с.

8. Анциферова, О. А. Причины различий гидрологического режима буроземов на автономных позициях рельефа в условиях Самбийской равнины /

О. А. Анциферова // Известия Калининградского государственного технического университета. - 2016. - № 43. - С. 154 - 166.

9. Анциферова, О. А. Продуктивность озимой пшеницы на фоне лимитирующих почвенных факторов / О. А. Анциферова, Е. Д. Самарина // Известия Калининградского государственного технического университета. -2018. - № 49. - С. 172-183.

10. Баринова, Г. Н. Калининградская область. Климат / Г. Н. Баринова. -Калининград, 2002. - 196 с.

REFERENCES

1. Verigo S. A., Razumova L. A. Pochvennaya vlaga (primenitel'no k zaprosam sel'skogo hozyajstva) [Soil moisture (in relation to the requests of agriculture)]. Leningrad Gidrometeoizdat, 1973. 328 p.

2. Twerdoff, D. A., Chanasyk D. S., Naeth М. А., Baron V. S. Soil water regimes of rotationally grazed perennial and annual forages. Can. J. Soil Sci, 79, 1999, pp. 627-637.

3. Da Silva, A. P., Kay B. D., Perfect E. Characterization of the least limiting water range of soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 1994, no 58, pp. 1775-1781.

4. Lebedeva V. M., Strashnaya A. I. Osnovy sel'skohozyajstvennoj meteorologii. T. II. Metody raschetov i prognozov v agrometeorologii. Kn. 2. Operativnoe agrometeorologicheskoe prognozirovanie [Basics of agricultural meteorology. V. II. Methods of calculations and forecasts in agrometeorology. Book. 2. Operational agrometeorological forecasting]. Obninsk, FGBU "VNIIGMI-WDC", 2012, 216 p.

5. Agroklimaticheskij spravochnik po Kaliningradskoj oblasti [Agroclimatic reference book on the Kaliningrad region]. Leningrad, Gidrometeorologicheskoe izd-vo, 1961. 130 p.

6. Klassifikaciya i diagnostikapochv SSSR [Classification and diagnostics of the soils of the USSR]. Sost. V.V. Egorov et al. Moscow, Kolos, 1977. 224 p.

7. Vadjunina A. F., Korchagina Z. A. Metody issledovaniya fizicheskih svojstv pochv [Methods for studying the physical properties of soils]. Moscow, Agropromizdat, 1986, 335 p.

8. Antsiferova O. A. Prichiny razlichij gidrologicheskogo rezhima burozemov na avtonomnyh poziciyah rel'efa v usloviyah Sambijskoj ravniny [The reasons for the differences in the hydrological regime of the burozems in autonomous positions of relief in the Sambian plain]. IzvestiyaKGTU, 2016, no. 43, pp. 154 - 166.

9. Antsiferova O. A., Samarina E. D. Produktivnost' ozimoj pshenicy na fone limitiruyushchih pochvennyh faktorov [Productivity of winter wheat against the background of limiting soil factors]. Izvestiya KGTU, 2018, no. 49, pp. 172-183.

10. Barinova G. N. Kaliningradskaya oblast'. Klimat [Kaliningrad region. Climate]. Kaliningrad, 2002, 196 p.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Анциферова Ольга Алексеевна - Калининградский государственный технический университет; кандидат сельскохозяйственных наук, доцент; Е-mail: anciferova@inbox. ru

Antsiferova Olga Alekseevna - Kaliningrad State Technical University; PhD in Agricultural Sciences, Associate Professor; E-mail: anciferova@inbox. ru

Самарина Елизавета Денисовна - Калининградский государственный технический университет; студентка

Samarina Elizaveta Denisovna - Kaliningrad State Technical University; student