CC BY
73
УДК 631.48
Вестник СПбГУ. Сер. 3, 2006, вып. 1
М. П. Банкин, Т. А. Банкина, Н. Э. Земесзиркс
АГРОФИЗИЧЕСКИЙ И БИОЛОГИЧЕСКИЙ КРИТЕРИИ ПЛОДОРОДИЯ АВТОМОРФНЫХ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВ АГРОЦЕНОЗОВ
Полевые севообороты - основа сельскохозяйственного производства Нечерноземья. Они размешаются на автоморфных дерново-подзолистых почвах оптимального гранулометрического состава от супесей до средних суглинков, благодаря выборочное™ и давности освоения. Набор сельскохозяйственных культур, возделываемых в полевых севооборотах, невелик - зерновые, картофель, травы. Продуктивность культур низкая и зависит от плодородия, кислотности, доступности азота, фосфора и калия, а также интенсивности технологических воздействий.
Период с 1960 по 1990 г., благоприятный для улучшения состояния и экономического роста аграрного сектора России, упущен - ни плодородие почв, ни продуктивность возделываемых сельскохозяйственных культур заметно не повысились. В конце этого периода по трем основным возделываемым культурам (пшенице, ячменю и картофелю) Россия не достигла урожайности аграрного сектора стран Западной Европы 1960 г. [21].
Главной причиной неудач в повышении продуктивности сельскохозяйственного производства, если не касаться социальных аспектов, следует считать отсутствие теории воспроизводства плодородия, биологической по сути и реалистичной с экономических позиций. На отсутствие теории земледелия «соответствующей современным требованиям обеспечить рост урожаев и повышения плодородия почвы» указывал Т. С. Мальцев. Создание теории почвенного плодородия «необходимо для целенаправленного, научно обоснованного воздействия на процесс культурного почвообразования» [20, с. 15].
Парадигма, существовавшая в период интенсивной химизации земледелия, состояла в том, что минеральные удобрения рассматривались как основной фактор повышения урожайности и плодородия почв [10]. Причем, происходило постоянное смешение понятий «плодородие почвы» и «продуктивность агроценоза». Как указывал Б. Н. Мичурин: «понятия служат нам средством познания лишь в том случае, если они не двусмысленны, т. е. определены однозначно» [8, с. 10].
Направленность изменения плодородия почвы и продуктивности агроценозов можно оценить при условии четкого определения и разграничения этих понятий. Сейчас стало очевидно, что вести экономически эффективное производство растениеводческой продукции в гелиогидротермических условиях Нечерноземья ориентируясь, главным образом, на максимальное использование антропогенных энергетических вложений, главным из которых являются минеральные азотные удобрения, - путь тупиковый. Вклад плодородия в продуктивность агроэкосистемы является основным и значительно большим, чем антропогенные энергетические вложения [4]. Роль плодородия почвы - естественного самовозобновляемого энергетического ресурса - не ограничивается продукционным процессом, а проявляется гораздо шире, оптимизируя экономику аграрного сектора и экологическое состояние природной среды.
Вести экономически эффективно сельскохозяйственное производство на дерново-подзолистых почвах можно только за счет использования их плодородия, которое связано с ростом гумусированности и, как следствие, влагозапаса в почвенном профиле. Чтобы оценить естественные (за счет плодородия) и антропогенные вложения в продуктивность агроценозов, необходимо рассмотреть два способа производства растениеводческой продукции, в которых эти виды вложений являются преобладающими.
© М. П. Банкин, Т. А. Банкина, Н. Э. Земесзиркс, 2006
Условия, при которых, с одной стороны, в создании урожая преобладающее значение отводится антропогенным вложениям и, с другой - определяющим фактором продуктивности является плодородие - можно проанализировать на двух реально существующих, но диаметрально противоположных способах производства растениеводческой продукции: субстратно-минеральном и почвенно-биологическом.
Суть субстратно-минерального способа, крайним случаем которого является гидропонный способ выращивания растений [6, 17], состоит в том, что все условия для оптимального функционирования агроценоза создаются искусственно, благодаря чему достигается максимальная продуктивность возделываемых растений в первый же год вегетации, однако, получение растениеводческой продукции таким способом весьма затратно. Создание и поддержание в течение вегетационного периода оптимальных для растений условий минерального питания и увлажнения позволяет получать урожаи картофеля до 10,3 кг клубней и корнеплодов моркови до 11,8 кг на 1 м2. В условиях Нечерноземья при использовании этого способа выращивания растений лимитирующим фактором роста урожайности выступает величина поступающей в агроценоз солнечной радиации [1, 18].
Противоположный субстратно-минеральному способу почвенно-биологический способ, в котором два основных условия нормального функционирования агроценоза - водный режим (полностью) и доступный азот (частично) самовозобновляются естественным путем, является менее затратным.
При субстратно-минеральном способе выращивания растений оптимальный водный режим поддерживается искусственно. При почвенно-биологическом способе выращивания растений плодородие почвы характеризуется влагозапасом в почвенном профиле. Водо-удерживающая способность почвы поддерживается благодаря ежегодному воспроизводству органических соединений, гидролизат которых, перемещаясь по профилю, упорядочивает структуру и сложение, формируя активную часть почвенного профиля. Поэтому, для авто-морфных почв способность удерживать влагу является основным агрофизическим критерием плодородия.
Специфическим показателем почвенно-биологического способа производства растениеводческой продукции является пул почвенного доступного азота, являющийся основным источником питания растений азотом. Он формируется в результате минерализации ежегодно воспроизводимых органических соединений, содержащих азот, а также за счет иммобилизованного осенью азота минеральных удобрений, не усвоенных посевом, и азот-фиксации.
Пул доступного почвенного азота определяет продуктивность агроценоза и является биологическим критерием плодородия. Поэтому в определение понятия «плодородие почвы» должны обязательно входить два перечисленных выше критерия -пул почвенного доступного азота, формируемый из ежегодно воспроизводимых легкоминерализуемых органических соединений, и влагозапас в почвенном профиле.
Плодородие почвы - это свойство почвенно-растительного комплекса осуществлять самовоспроизводство органических соединений необходимых для поддержания пула почвенного доступного азота и влагозапаса в почвенном профиле.
Продуктивность агроценоза (урожайность) - интегральный показатель, определяемый плодородием почвы, величиной антропогенных вложений и интенсивностью технологических воздействий.
Вести экономически эффективное производство растениеводческой продукции в полевых севооборотах с одновременным воспроизводством плодородия можно только при последовательном выполнении нескольких обязательных условий. Первое - сформулированное Ж.-Б. Буссенго в начале XIX в. [3], зиждется на обязательном возврате в почву всей произведенной побочной продукции, что позволяет поддерживать гумусированность и, как
следствие, влагозапас. Второе - формирование пула почвенного доступного азота, благодаря возделыванию в севообороте сидератов бобовых и крестоцветных культур. Это позволило странам Европы довести урожайность зерновых до 16-24 ц/га без применения минеральных азотных удобрений, и стало отправной точкой начала их применения [12] . Это положение предано забвению как агрономической наукой, так и повседневной практикой, что подтвердил тридцатилетний опыт химизации. Игнорировать это условие нельзя, даже имея замену биологическому азоту в виде минеральных азотных удобрений. Как отмечал В. М. Володин: «Всякие действия по увеличению энергопотенциала агроэкосистемы должны отвечать следующему положению: минимум производительности агроэкосистемы с дополнительными энергетическими вложениями по увеличению ее энергопотенциала всегда должен быть выше максимума производительности этой же агроэкосистемы без энерговложений» [4, с. 33]. Интенсификация последующего роста урожайности, осуществляемая за счет внесения в почву минеральных азотных удобрений, без учета этого постулата, экономически малоэффективна и ведет к деградации плодородия.
Проблема плодородия рассматривается нами исключительно в отношении дерново-подзолистых почв, что связано с присущими только им особенностями. В этом отношении в наиболее жестких, но полностью контролируемых условиях находятся только автоморфные дерново-подзолистые почвы. Водный режим таких почв формируется исключительно за счет атмосферных осадков, определяющих влагозапас в почвенной толще. Влагозапас, приходящийся на начало вегетационного периода, с большой степенью вероятности определяет условия вегетации в первый период жизни растений, а возможно, и конечный урожай. В уравнении зависимости продуктивности сельскохозяйственных культур от влагозапаса в почве и коэффициента водопотребления первый член уравнения будет увеличиваться с улучшением водно-физических свойств почвы (гумусированность и плотность сложения) и эффективностью использования влаги при улучшении питания растений, связанного с повышением плодородия:
У= +
Ку, Кн,
где У - продуктивность сельскохозяйственных культур, ц/га; Ш ) - влагозапас в почве на начало вегетационного периода, мм; ш 2 - количество осадков за вегетационный период, мм; с! - коэффициент использования осадков; Куу- коэффициент водопотребления, мм ■ га/ц.
Влагозапас почвенного профиля, являющийся функцией трех основных агрофизических показателей — гумусированности, плотности сложения и влажности — может служить агрофизическим критерием плодородия автоморфных дерново-подзолистых почв.
Биологическим критерием плодородия может служить пул доступного растениям почвенного азота. Этот азот высвобождается из минерализуемых органических соединений. Особенность поведения в почве азота минеральных удобрений, в отличие от почвенного доступного азота, состоит в том, что коэффициент использования культурами первого составляет 0,3-0,4 [2]. Остающиеся невостребованными в почве в конце вегетационного периода 60-70% азота минеральных удобрений, будут на одну треть вымыты из почвы к началу следующего вегетационного сезона, еще одна треть может быть иммобилизована в органический азот почвы, а остающийся минеральный азот денитрифицируется, т. е. превращается в газ и удаляется из почвы. Направленность работы почвенной биоты в сторону иммобилизации или в сторону денитрификации минерального азота регулируется содержанием в почве легкоминерализуемых почвенной биотой органических соединений и величиной отношения в них органического углерода к азоту (С/Ы).
Применение минеральных азотных удобрений, не согласующееся с содержанием в почве легкоминерализуемых органических соединений и величиной отношения СЛМ в них, ведет к нарушению нормального функционирования микробной биоты. Снижается или сво-
дится на нет ее основная функция - перевод азота лабильных органических соединений, образующихся в почве из растительного опада, детрита и гумуса в течение вегетации в минеральную форму, когда потребность в нем растений максимальна, и, напротив, связывание минерального азота в органическую форму в процессе иммобилизации в осенне-ранневесеиний период, когда урожай убран и в почву поступает свежий растительный опад с широким отношением С/К Снижение плодородия проявляется в том, что в каждом последующем урожае доля почвенного самовозобновляемого азота снижается. Для сохранения ранее достигнутого уровня продуктивности необходимо повышать дозы вносимых в почву минеральных азотных удобрений. При этом малозатратный почвенно-биологический способ производства растениеводческой продукции постепенно трансформируется в высокозатратный субстратно-минеральный.
Азот минеральных удобрений, вносимый в почву - это, образно говоря, кредит агро-ценозу на создание дополнительной продукции. Особенность его состоит в том, что оплачивается этот кредит не столько стоимостью дополнительно произведенной и реализованной продукции, что важно для сегодняшней экономики хозяйства, сколько количеством органических соединений, произведенных агроценозом и возвращенных в почву, что важно для поддержания в будущем почвенного плодородия. В этом заключается противоречие между экономикой и экологией нынешнего аграрного сектора.
Критерии, характеризующие плодородие почвы и определяющие продуктивность аг-роценоза представлены на рис. 1.
Влагозапас в почвенном профиле
Продуктивность агроценоза
Пул почвенного доступного азота
Углерод органический (С0вщ) Влажность генетических горизонтов Плотность сложения
Тренд урожайности Прирост урожая
Эффективность азотных удобрений
Масса растительных остатков Активность микробной биоты Эмиссионное С/М отношение
Рис. 1. Агрофизический и биологический критерии и индивидуальные показатели, характеризующие плодородие почвы.
Повышение продуктивности агроценоза на дерново-подзолистых почвах связано с мероприятиями, направленными на замедление подзолообразовательного процесса [9, 15], основными чертами которого являются: кислая реакция почвенной среды, фульватный характер гумуса, низкая азотминерализующая способность, закрепление фосфора, вымывание калия и двухвалентных катионов. Иерархия показателей, определяющих продуктивность агроценоза на дерново-подзолистых почвах и последовательность их введения, следующая: снижение кислотности > повышение доступности азота > повышение доступности фосфора > увеличение содержания калия > увеличение содержания двухвалентных катионов.
Для выяснения возможности повышения урожайности посевов и плодородия почвы в 1982 г. на Меньковской опытной станции Агрофизического института (МОС АФИ) был
заложен зерно-травяно-пропашной семипольный севооборот по общепринятой рекомендации для Северо-Западного региона [19]. Дозы минеральных удобрений рассчитывались под планируемые урожаи двух уровней: 2 - средний (климатически обеспеченный) и 3 - высокий (потенциально-возможный), 1 - контроль.
Полученные данные (табл. 1.) подтверждают тот факт, что применение минеральных удобрений дает существенное увеличение урожайности всех культур севооборота по сравнению с контролем. В то же время закономерного роста урожайности за 12-летний период исследований не наблюдается. Изменения обусловлены в основном погодными условиями. Нами проведена обработка урожайных данных с использованием электронной таблицы Excel путем линейной аппроксимации. Даже при ежегодном изменении урожайности возделываемых культур при различных уровнях применения минеральных удобрений, этот прием позволил выявить тренд (общую тенденцию изменения динамического ряда) урожайности (табл. 2). Такой способ анализа данных показал, что происходит снижение урожайности на всех культурах и во всех вариантах опыта. Исключение составил урожай сена многолетних трав на контрольном варианте.
Таблица I. Урожайность культур семипольного севооборота на дерново-подзолистой супесчаной почве
(МОС АФИ), ц/га
Годы Уровень минерального питания Многолет. травы 1 -го года Многолет. травы 2-го года Картофель Ячмень Однолет. травы (сыр. вес) Озимая рожь Ячмень + многолет. травы
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 - - 226 - - 15,3 -
1982 2 3 62 63 300 305 32,2 264 29,5 30,0 24,0
1 - - 298 24,0 102 27,8 15,2
1983 2 70 63 420 37,6 136 41,6 27,3
3 - - 455 38,2 162 40,8 32,7
1 32 48 298 16,6 198 22,7 11,4
1984 2 88 90 401 27,5 235 33,8 21,9
3 105 107 375 30,4 257 38,0 34,6
1 41 47 232 23,2 176 20,5 14,3
1985 2 111 102 278 27.0 271 31,8 32,7
3 119 109 277 31,8 267 33,8 23,4
1 34 32 232 17,0 123 19,8 10,0
1986 2 88 106 297 25,0 305 31,9 21,2
3 120 136 341 27,7 387 36,5 25,1
1 84 39 127 18,9 183 12,4 10,4
1987 2 106 99 218 26,0 340 18,0 20,8
3 134 132 258 27,5 415 20,8 22,8
1 40 82 203 14,1 198 18,2 5,6
1988 2 101 108 319 20,9 315 23,5 11,5
3 113 127 338 22,3 342 25,8 16,0
Окончание табл. I
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 37 24 174 15,9 167 27,0 13,1
1989 2 65 79 246 25,0 255 42,7 17,1
3 84 100 306 26,6 284 48,2 21,5
1 44 36 172 18,8 108 26,2 12,2
1990 2 93 80 233 28,0 218 39,3 18,5
3 117 103 258 31,1 278 42,9 23,0
1 79 83 208 17,0 144 23,6 10,6
1991 2 96 79 265 23,6 283 38,2 17,6
3 104 99 292 25,4 309 43,4 21,0
1 41 47 126 7,5 69 25,1 6,3
1992 2 55 54 157 10,8 97 38,4 9,7
3 60 60 177 13,7 117 45,2 11,8
1 52 51 100 9,0 64 7,0 1,0
1993 2 64 63 110 10,0 . 80 8,0 1,0
3 70 67 120 1 1,0 88 9,0 1,0
Примечание.) - контроль, 2 - ^К. (60-90) кг/га д. в., 3 - ЫРК (180-300) кг/га д. в. (то же для табл. 2).
Таблица. 2. Ежегодное изменение урожайности сельскохозяйственных культур семипольного севооборота на дерново-подзолнстой супесчаной почве, ц/га в год (МОС АФИ)
Культура Уровень минерального питания
1 2 3
Многолетние травы 1-го года 2.13 -0,77 -3,27
Многолетние травы 2-го года 0,81 -1,20 -3,70
Картофель -13,70 -19,70 -18,50
Ячмень -1,17 -1,79 -1,96
Однолетние травы -4,49 -8,66 -^,13
Озимая рожь -0,18 -0,55 -0,24
Ячмень + многолетние травы -0,86 -1,89 -2,28
В известном опыте Д. Н. Прянишникова (ТСХА), заложенном в 1912 г. с целью выяснения возможности повышения плодородия и продуктивности, получены данные об урожайности культур в течение 7 ротаций севооборота [5]. Проведенное нами определение трендов и величин изменения урожайности (табл. 3) показало, что происходит снижение урожайности при возделывании озимой ржи и картофеля в вариантах без удобрений, что можно объяснить снижением плодородия почвы. Рост урожайности в других вариантах опыта связан, по нашему мнению, с применением возрастающих доз азотных удобрений в течение проведения эксперимента. В этой связи можно утверждать, что во всех вариантах и под всеми возделываемыми культурами развернутого на дерново-подзолистой почве севооборота данного типа и принятой агротехникой ни продуктивность, ни плодородие повысить не удалось.
Таблица. 3. Урожайность культур и ее изменение, рассчитано поданным |7|, ц/га
Годы Рожь Картофель Овес
без удобрений без удобрений ЫРК без удобрений ЫРК
1913-1918 14,2 22,3 121,3 174,2 9,9 10,5
1919-1924 14,2 20,5 67,9 99.9 15,0 22,2
1925-1930 12,7 19,1 98,4 186,3 14,4 20,8
1931-1936 11,4 14,2 81,4 164,8 12,7 17,8
1937-1942 10,2 18,3 68,6 121,2 11,1 17,2
1943-1948 11,6 20,7 93,2 153,7 12,1 17,2
1949-1954 13,4 22,9 75,6 176,1 15,0 22,0
Изменение урожайности за ротацию, и/га -0,36 +0,05 + 1,7 +0,22 +0,75
Примечание. Севооборот: черный пар, оз. рожь, картофель, овес+клевер, клевер, лен; удобрения: 1912-1938 - ежегодно N 7,5, Р205 15, К20 22,5 кг/га; 1939-1954 - ежегодно N 75, Р20, 60, К20 90 кг/га, навоз 20 т/га.
Аналогичный результат получен в зернопропашном севообороте [11], проведенном в совхозе «Зеленоградский» Московской области на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве (табл. 4). Авторы утверждают, что «рациональные уровни содержания элементов питания в почве обеспечивают создание любого уровня урожайности в севообороте при внесении удобрений из расчета на вынос элементов питания планируемыми урожаями» [11, с. 79].
Таблица 4. Урожайность сельскохозяйственных культур севооборота и её изменение (тренды),
рассчитано поданным |13]
Внесено удобрений Урожайносл ь. ц/га
Годы органич., т/га минеральн., кг/га пшеница озимая ячмень овес картофель многолет. травы
1967-1970 8 190 24,3 26,7 24,7 158 25,7
1971-1975 19 290 34,3 29,5 3 1 3 160 А П Т^., 1
1976-1980 17 320 23,3 24,6 26,5 127 42,6
Изменение урожайности за ротацию (тренд), ц/га -0,5 -1,0 +0,9 -15 +8,5
Проведенный нами анализ данных, представленных авторами, показал, что из пяти культур, возделываемых в севообороте, под тремя (озимая пшеница, ячмень и картофель) происходило снижение урожайности. Рост урожайности, отмечаемый на культуре многолетних трав и овса, как и в предыдущем примере, связан с тем, что за рассматриваемые 15 лет происходило постепенное повышение доз органических и минеральных удобрений. Это замедлило темпы снижения урожайности, но не изменило тенденции падения уровня плодородия.
В рассмотренных опытах МОС АФИ и ТСХА прибавка урожая возделываемых культур за счет применения минеральных удобрений составила для трав - 60-80%, для озимой ржи и картофеля - 45-80, для ячменя 40-70% по сравнению с контролем. Налицо стремление форсировать урожайность за счет применения высоких доз минеральных удобрений, т. е. делается сильный крен от почвенно-биологического способа производства растениеводческой продукции к субстратно-минеральному.
Проведенный нами анализ динамики урожайности и ежегодного прироста по трем основным возделываемым в странах Европы и СССР культурам за период с 1958 по 1992 г. (по данным РАО [21]) представлен на рис. 2.
60 50 -40 -
Европа
урожайность = 16.1+0,96 (t-t0) неустойчивость земледелия - 5%
СССР
урожайность = 10,2+0,26(f-f0) неустойчивость земледелия - 12%
-1-1-1-
250 Европа
урожайность = 154+1,8(f-fo) неустойчивость земледелия - 7%
150-100 50
СССР
урожайность = 98+0,7(t-t0) неустойчивость земледелия - 11%
т
т
т
Европа
урожайность = 23,3+0,53(t-t0) неустойчивость земледелия - 6%
СССР
урожайность = 12,0+0,17 (t-t0) неустойчивость земледелия -15%
1955
1960
1965
1970
1975
Годы
1980
1985
1990
1995
Рис. 2. Динамика урожайности и тренды пшеницы (Л), картофеля (Б) и ячменя {В).
Европейские страны начали применять минеральные азотные удобрения, достигнув урожайности пшеницы - 16,1 ц/га, ячменя - 23,3 ц/га и картофеля - 154 и!га только за счет естественных факторов. Показано, что до 1990-х годов прошлого века страны Европы шли с ежегодным ускорением (приростом урожая) равным для пшеницы - 0,96, ячменя - 0,53, картофеля -1,8 ц/гатод и неустойчивостью земледелия, при возделывании этих культур, равной 5, 6 и 7% соответственно. Для России эти показатели составляли - 0,26, 0,17 и 0,7 ц/гатод и неустойчивостью земледелия - 12, 15 и 11% соответственно. Как можно ви-
деть темпы ежегодного прироста урожайности зерновых культур и картофеля в России были в 3-4 раза ниже, чем в Европе. Достигнутая в 1990-е годы урожайность зерновых и картофеля в Европе была в 2-3 раза выше, чем в России. Это указывает на то, что достигнутая в СССР урожайность основных культур к 1960 г. (пшеницы - 10,2 ц/га, ячменя - 12,0 ц'га и картофеля - 98,0 ц/га), за счет использования естественных природных факторов, была недостаточной и не позволяла перейти к дополнительному использованию антропогенных вложений, главным из которых являются минеральные азотные удобрения, что, в последствие, отрицательно сказалось как на росте продуктивности, так и на воспроизводстве плодородия почвы.
Естественно, величина урожайности отражает не только уровень плодородия почвы, но и эффективность использования ресурсных вложений и интенсивность технологических воздействий. Совокупное действие всех трех факторов и, в особенности то, что в этот период (1960-1990) происходил непрерывный рост применения минеральных удобрений, снижения урожайности не наблюдалось, но отразилось на величине ежегодного прироста урожая, окупаемости вложений и в конечном итоге на рентабельности производства растениеводческой продукции.
Показателем направленности изменения плодородия может служить эффективность использования минеральных азотных удобрений. Снижение урожайности, при неизменной дозе азота удобрений, будет указывать на уменьшение поступления в растения азота из почвы, т. е. на снижение плодородия. При этом в эксперименте необходимо иметь как минимум два варианта доз вносимых азотных удобрений и проводить систематические наблюдения за величиной урожая в течение нескольких ротаций севооборота. Возможен и второй вариант - проводить учет урожая, выращенного на постоянных дозах азотных удобрений в течение, как минимум, нескольких ротаций севооборота.
В качестве примера мы использовали уникальный опыт, заложенный ВИУА в Смоленском филиале института на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве [7]. К сожалению, во вторую ротацию дозы азотных удобрений были увеличены под всеми культурами севооборота. Рассчитанные нами значения действительных прибавок урожая, полученные во второй ротации севооборота, путем приведения к одинаковым с первой ротацией дозам азотных удобрений, представлены в табл. 5. Полученные данные показывают, что во второй ротации севооборота доза азота 47 кг/га была наибольшей, которая еще обеспечивала прибавку урожая, равную 2,2%. Начиная с дозы 63 кг/га азота и выше, наблюдалось устойчивое снижение урожайности во второй ротации севооборота по сравнению с первой.
Таблица 5. Влияние удобрений на продуктивность севооборота (рассчитано по данным [9])
Дозы ЫРК., кг/га Первая ротация Вторая ротация Изменение урожайности, %
Урожаи, ц/га з. е. год прибавка Урожай, ц/га з. е. год прибавка
14-0-0 22,7 - 23,7 - +4,4
30-25-20 33,1 10,4 35,0 11,3 +2,7
47-50-40 36,9 14,2 38,7 15,0 +2,2
63-75-60 39,6 16,9 40,0 16,3 -0,8
80-100-80 41,7 19,0 42,2 18,5 -1,2
113-150-120 44,9 22,2 44,6 20,9 -2,9
130-170-140 46,2 23,5 46,1 22,4 -2,4
147-200-160 47,4 24,7 46,8 23,1 -3,6
Примечание, з. е. - зерновые единицы (то же для табл. 6).
Авторы утверждают, что «оптимальные дозы удобрений лежат в пределах Н80Рюо^8о-^1зоР15оК|2о- Применение этих доз позволило увеличить продуктивность севооборота на 82-84%» [7, с. 40]. Это правильно на короткую перспективу. Составленный нами прогноз влияния возрастающих доз удобрений и динамики продуктивности на длительную перспективу показал (табл. 6), что получение максимальной урожайности с помощью возрастающих доз удобрений, главным образом азотных, возможно, но ущербно как с экономических, так и с экологических позиций. Суммарная продуктивность севооборота при дозе минерального азота 47 кг/га рассчитанная нами равна продуктивности полученной авторами [7] при дозе минерального азота 80 кг/га. Ухудшение экологической обстановки в агроценозе на рекомендуемых авторами дозах азота по сравнению с оптимальным, по нашему мнению, вариантом равным 47 кг/га было явным, так как количество минеральных азотных удобрений, которое должно быть внесено за 6 ротаций севооборота при дозе 80 кг/га, превышало соответствующий показатель при дозе равной 47 на 1200 кг/га. Анализ данных многолетних опытов показал, что задача повышения урожайности культур за счет применения повышенных доз минеральных удобрений приводит к снижению эффективности их использования возделываемыми культурами, вследствие нарушения баланса между углеродом и азотом в почве. В результате доля почвенного азота в урожае постепенно уменьшается, что указывает на снижение плодородия почвы.
Таблица 6. Прогноз влияния возрастающих доз удобрений на суммарную продуктивность (£ п/га з. е.) и количество внесенного азота минеральных удобрений Q] N кг/га) за 6 ротаций севооборота
Дозы NPK, кг/га Начальная продуктивность, ц/га з. е. в год Изменение урожайности, % Конечная продуктивность, ц/га з. е. в год Г.ц/га з.е. Y. N кг/га за 6 ротаций.
¡4-0-0 22 7 ± Л Л 28,1 954 504
30-25-20 33.1 +2.7 38,8 1308 1080
47-50-40 36.9 +2,2 42,0 1434 1692
63-75-60 39,6 -0,8 37,7 1386 -»253
80-100-80 41.7 -1,2 38,8 1440 2880
113-150-120 44,9 -2,9 37,6 1458 4068
130-175-140 46,2 -2,4 39,9 1530 4680
147-200-160 47,4 -3,6 38,0 1506 5292
В гармонизированных агроэкосистемах (полевые зерно-сидерально-пропашные севообороты) повышение плодородия достигается благодаря полной самовозобновляемости органического вещества и большей части органического азота, участвующего в создания урожая в результате полного возврата соломы и всей произведенной побочной продукции. При этом азот минеральных удобрений необходим только для постепенного прироста урожая, но не как основной фактор его создания. Такое условие выполняется только тогда, ко-
гда азот, вносимый с минеральными удобрениями вновь созданной биомассой увеличивает последовательно и постепенно количество органического углерода, находящегося в сфере биологического круговорота.
Таким образом, основным источником азота, определяющим продуктивность агро-ценоза, является пул доступного почвенного азота. Антропогенные ресурсные вложения в виде минеральных азотных удобрений не должны форсировать рост урожайности без сопряженного воспроизводства плодородия почвы. Оставшийся не востребованным, минеральный азот должен гармонизированно встраиваться в агроэкосистему, иммобилизуясь почвенной биотой. Дозы вносимых азотных удобрений могут лишь дополнять снабжение растений азотом из почвы, но не должны выступать в качестве решающего фактора повышения продуктивности посевов. Однако рост урожайности и воспроизводство плодородия почвы за счет применения минеральных азотных удобрений являлись основой аграрной парадигмы в эпоху химизации земледелия [13, 14].
Почвенный азот, доступный вегетирующим растениям, высвобождается из растительного опада, детрита и гумуса в результате гидролиза до лабильных органических соединений и последующей минерализации. Именно на этих формах органических соединений акцентировал внимание И. В. Тюрин: «Огромна роль в питании растений той части органического вещества почвы, которая сравнительно легко разлагается микроорганизмами и составлена из неразложившихся органических остатков ежегодного опада и промежуточных продуктов его разложения. Собственно гумусовые вещества почвы, по причине их значительной устойчивости, играют гораздо меньшую роль» [16, с. 20]. В результате ферментативного гидролиза растительных остатков, детрита и гумуса в почве образуется лабильное органическое вещество, причем доля гумуса участвующего в его создании, невелика и составляет 1-2% от Собщ.
Формы органических соединений почвы, участвующих в образовании пула почвенного доступного азота, представлены на рис. 3.
Рис. 3. Формы органических соединений почвы, участвующих в образовании пула доступного почвенного азота.
Конечными продуктами минерализации лабильных органических соединений почвы являются С02 и минеральные формы азота N11/ и N03". В период вегетации растений основная функция почвенных микроорганизмов - максимально минерализовать лабильные органические соединения с высвобождением минеральных форм азота. В осенне-ранневе-сенний период функция микробной биоты состоит в иммоболизации остаточного азота минеральных удобрений. Переключение работы почвенной микробной биоты с процесса минерализации азотсодержащих органических соединений на процесс иммобилизации мине-
рального азота в микробную биомассу и в органические соединения осуществляется в результате поступления в почву свежего малоазотистого растительного опада, который, гидролизу-ясь, значительно расширяет в лабильном органическом веществе отношение углерода к азоту.
Определение доступного растениям почвенного азота в течение вегетационного периода по убыли минерализуемых органических соединений или минерального азота химическими методами невозможно, так как устанавливается квазиравновесное состояние, при котором непрерывно происходит расход и восполнение доступных биоте органических соединений в результате минерализации и ферментативного гидролиза, а образующийся минеральный азот поглощается растениями и выводится из почвы. Используемый нами показатель - эмиссионное C\N отношение - позволяет определить количество высвобождаемого минерального азота из минерализуемых органических соединений почвы.
Таким образом, плодородие автоморфных дерново-подзолистых почв полевых севооборотов характеризуется агрофизическим критерием - влагозапасом в почвенном профиле, определяемым содержанием органического углерода, плотностью сложения и влажностью генетических горизонтов. Биологическим критерием плодородия является пул доступного почвенного азота, определяемый массой ежегодно поступающего в почву растительного опада, активностью микробной биоты и эмиссионным C/N отношением. Продуктивность агроценоза может служить критерием плодородия почвы только в том случае, если урожай получен на варианте без внесения минеральных азотных удобрений. В условиях применения азотных минеральных удобрений плодородие оценивается по тренду урожайности, величине прироста урожая и эффективности азотных удобрений в многолетнем цикле наблюдений.
Статья рекомендована проф. Н. П.Битюцкгш. Summary
Bankin М. Р., Bankina Т. А., Zemeszirks N. Е. Agrophysical and biological yardsticks of fertility of automorphic paddy-podzolic soils of agrocenosises.
Agrophysical and biological yardsticks of fertility and parameters of their change in automorphic paddy-podzolic soils of agrocenosises are detected.
Литература
1. Банкин M. П. Динамика суточной продуктивности картофеля при выращивании в условиях гидропоники: Автореф. канд. дис. Л., 1975. 16 с. 2. Биологические основы плодородия почв / Под ред. О. А. Берестецкого. М., 1984. 3. Буссенго Ж.-Б. Избранные произведения по физиологии растений и агрохимии. М.; Л., 1936. 4. Володин В. М. О расширенном воспроизводстве почвенного плодородия." Вестн. с.-х. науки. 1989. № 6. С. 33—40. 5. Егоров В. Е. Из результатов полувекового полевого опыта ТСХА с удобрениями, севооборотом и монокультурами // Известия ТСХА. 1963. №6. 6. Ермаков Е. И., Штрейс Р. И. Выращивание растений в гидропонике. Л., 1968. 1. Иванова Т. И., Кожемякова Р. Н„ Плешакова С. В. Эффективность минеральных удобрений при длительном применении на дерново-подзолистых почвах // Влияние длительного применения удобрений на плодородие почвы и продуктивность севооборотов. М., 1985. С. 27—47. 8. Мичурин Б. Н. Зависимость свойств почвенной влаги и ее доступность для растения от агрегатного состояния почвы: Автореф. докт. дис. М., 1967. 25 с. 9. Никитин Б. А. Плодородие почвы и продуктивность растений. Горький, 1987. 10. Постников А. В. Применение удобрений, баланс питательных веществ и изменение агрохимических свойств почв РСФСР // Агрохимия. 1979. № 12. С. 3-14. 11 .Прохорова 3. А., Фрид А. С. Изучение и моделирование плодородия почв на базе длительного полевого опыта. М., 1993. 12. Прянишников Д. Н. Развитие химической промышленности - мощный рычаг поднятия урожаев // Химизация социалистического земледелия. 1934. №1. С. 33—41. 13. Сапожников Н. А., Корнилов М. Ф„ Рюмин Н. И. Рекомендации по установлению оптимальных доз минеральных удобрений для основных культур на подзолистых почвах. Л., 1965. 14. Сапожников Н. А., Корнилов М. Ф. Научные основы системы удобрения в Нечерноземной полосе. Л., 1977. 15. Семенов В. А. Оценка земель и прогноз
урожая. Л., 1977. 16. Тюрин И. В. Почвообразовательный процесс, плодородие почвы и проблема азота в почвоведении и земледелии // Почвоведение. 1956. №3. С. 12-24. 17. Чесноков В. А., Базыри-наЕ.Н., БушуеваТ.М., Ильинская Н. Л. Выращивание растений без почвы. Л., 1960. 18. Чесноков В. А., Банкин М. П. Выращивание растений в упрощенной гидропонной установке // Плодородие почв и питание растений. Л., 1973. С. 170-175. 19. Шатилов И. С., Замараев А. Г., Чапов-ская Г. В. Баланс элементов минерального питания в севообороте на суглинистой дерново-подзолистой почве // Известия ТСХА. 1980. №4. 20. Шишов Л. Л., Карманов И. И., Дурманов Д. Н., Ефремов В. В. Теоретические основы и пути регулирования плодородия почв. М., 1991. 21.ФАО (Food and Agricultural Organization of the United Nations) // Production yearbook. Vol. 14-46. 1960-1992.
Статья поступила в редакцию 24 ноября 2005 г.
