CC BY
37
2. Влияние удобрений и пестицидов на качество зерна озимой ржи (в среднем за 200S-2008 гг.)
Вариант Содержание Сбор белка, Нитраты, 137Cs,
белка, % ц/га мг/кг Бк/кг
I. Без удобрений и пестицидов 13,3 0,85 52 57
(контроль)
2. Последействие навоза, 80 т/га 14,1 1,37 56 28
3. Последействие навоза, 40 т/га 13,7 2,19 62 23
C N70P30K60
4 N Р К 70 30 60 13,9 1,97 57 24
5 N Р К ^ 140 60 120 14,1 2,66 63 21
6. N210P90K180 13,5 2,17 71 21
7. Последействие навоза, 40 т/га 14,0 2,91 61 22
C N70P30K60 c пестициды
8. N70P30K60 c пестициды 14,0 2,02 57 24
9. N140P60K120+ пестициды 14,0 3,01 63 18
10. N210P90K180+ ПестиЦидЫ 13,9 3,27 69 18
антах с комплексным применением средств химизации.
Содержание нитратов в зерне озимой ржи изменялось по вариантам опыта от S2 до 71 мг/кг, но не превышало ПДК для продовольственного зерна (93 мг/кг). Отмечена тенденция повышения содержания нитратов под влиянием систем удобрения, а максимальные значения (69-71 мг/кг) были получены в вариантах с применением повышенных доз туков. Применение пестицидов на фоне изучаемых систем удобрения не оказывало заметного влияния на изменение содержания нитратов в зерне.
Концентрация радиоактивного цезия в зерне озимой ржи в среднем за ротацию севооборота на контроле составила S7 Бк/кг при нормативе 70 Бк/кг. Применение различных систем удобрения, а также их сочетание с пестицидами снижало концентрацию 137Сз в зерне в 2,0-3,2 раза по сравнению с контролем. Органические удобрения в последействии снижали концентрацию 137Сз по сравнению с контролем в 2,0 раза, а в сочетании с минеральными - в 2^ раза. Применение последовательно возрастающих доз минеральных удобрений позволяет получать зерно озимой ржи с содержанием 137Сз в 2,4-2,7 раза ниже, чем на контроле. Химические средства защиты ра-т- стений оказали сравнительно слабое сч влияние на изменение концентрации ^ 137Сз в урожае озимой ржи. Наимень-2 шее содержание 137Сз - 18 Бк/кг -иеотмечено при внесении оптимальной ф и повышенной дозы ЫРК в комплек-ф се с пестицидами. 5 Таким образом, при возделывании со озимой ржи в плодосменном сево-
обороте на дерново-подзолистой песчаной почве в условиях радиоактивного загрязнения оптимальным фоном является 1Х140Р60К120+ пестициды (вариант 9), где получена высокая и стабильная урожайность. Применение средств химизации способствует повышению белковости зерна озимой ржи и снижению концентрации 137Сз по сравнению с контролем в 2,0-3,2 раза. Под влиянием возрастающих доз удобрений отмечена тенденция повышения содержания нитратов в зерне озимой ржи от S2 до 71 %, но это значение не превышает норматив для продовольственного зерна, и оно пригодно для использования как на кормовые, так и на пищевые цели.
Статья поступила в редакцию 23.04.2009
Influence of the chemicalization' remedies on the productivity and quality of winter grain rye
G.P. Malyavko, N.M. Belous, V.F. Shapovalov
There is showed the influence of fertilizing systems and pesticides on the productivity, content of protein, nitrates and radioactive caesium in winter grain rye in the definite agroecological conditions. Keywords: winter rye, fertilizing system, pesticides, productivity, protein content, nitrates, radioactive caesium.
УДК 631.417.2
Долгосрочное прогнозирование изменения запасов гумуса в2 почве
Ю.П. СУХАНОВСКИЙ, Н.П. МАСЮТЕНКО, доктора сельскохозяйственных наук С.И. САНЖАРОВА, кандидат биологических наук А.В. ПРУЩИК
Всероссийский НИИ земледелия и защиты почв от эрозии E-mail: [email protected]
Разработана модель динамики запасов гумуса в почве. Сделан прогноз динамики запасов гумуса в слое 0-20 см.
Ключевые слова: гумус, почва, прогнозирование.
Качественный и количественный состав гумуса определяет агрохимические, агрофизические и биологические свойства почв. Этим обусловлена его важнейшая роль в формировании урожайности сельскохозяйственных культур. За последние 200 лет со времени интенсивного освоения целинных земель в Центрально-Черноземном регионе содержание гумуса в верхнем слое неэроди-рованных черноземных почв уменьшилось примерно в два раза и составляет S-6 % [1, 2]. При таком темпе деградации содержание гумуса в пахотном слое в следующие 200 лет снизится до 2,S-3,0 %. Для компенсации утраченного плодородия потребуются дополнительные затраты, что приведет к росту стоимости растениеводческой продукции. Падение почвенного плодородия может привести к кризису, когда возможности производства продукции не будут соответствовать растущим потребностям в ней. Все это обусловливает необходимость разработки моделей для долгосрочного прогнозирования динамики почвенных ресурсов.
Данная работа посвящена разработке модели динамики запасов гумуса и ее применению для прогнозирования. Описание динамики трансформации органического вещества в почве является весьма сложной задачей [3]. Однако при проектировании систем земледелия оценка тенденции запасов гумуса
необходима. Существуют упрощенные модели динамики запасов гумуса [4-6, 7, 8]. Ряд зарубежных и отечественных моделей описан также в работе [9]. В данной работе используется модель для общего гумуса [7], которую запишем в виде:
dA( tj_ dt
dr( t) dt
баланс гумуса, позволяющий оценить необходимое поступление органического вещества в почву а. Величины кук (безразмер-
+ 1 A(t) = a(t) Y (1) ная) и (год )
+ Ahla„r(t) = kvhAA(t), (2)
где t - время, год; A(t), Щ - запасы в почве растительных остатков и общего гумуса в произвольный момент времени t, т/га; Л , Л, - посто-
1 ' ' ' veg пит
янные распада растительных остатков
растительных остатков, которая со временем трансформируется в гумус, безразмерная; а(¡) - интенсивность поступления в почву растительных остатков, т/(га год).
Начальные условия для уравнений (I) и (2)
A@t = 0) a Ah d r(t a 0) a Г..
(3)
i=i
A(t) = A0exp(-Avegt) + + ~yr [1- exp(-yVegt)] ,
(5)
r(t) = [r0+kv,
Л„„А„
y — y
veg hum
—¿„mí) —
yhum
— k.
^^ eP) + ^ ■ (6)
veg hum hum
При ? -»да запасы гумуса стремятся к предельному (равновесному) значению
Г = -
А.
(7)
принято называть соответственно коэффициентами гумификации и минерализации.
Когда в почве не содержатся растительные остатки, и они не поступают в почву (Д0 = а = 0), то из уравнения (6) следует, что уменьшение запасов гумуса описывается экспоненциальной зависимостью:
Г(t) = Г0 exp(-A,„J).
Применим эту модель для долгосрочного прогнозирования (десятки и сотни лет) изменения запасов гумуса. Для упрощения величину а(¡) примем постоянной: 1 I
= I (4)
где N - период ротации севооборота, лет; а. - количество органического вещества, которое поступает в почву за у'-й год севооборота, т/га. Тогда из системы уравнений (I) и (2) следует, что
Если в (7) вместо Гт подставить исходные (имеющиеся) запасы гумуса Г0, то получим бездефицитный
Время, за которое в данном случае запасы гумуса уменьшаются в два раза, принято называть периодом полураспада Т1/2. Параметры Луед, к, и Л, , строго говоря, являются не-
vn пит' 1 1 '
известными, поэтому они рассматриваются как калибровочные. Их значения оцениваются из условия минимума средневзвешенного относительного отклонения между фактическими и рассчитанными значениями запасов гумуса, которое определяет погрешность модели емод.
Калибровка модели проведена по фактическим данным запасов гумуса в слое 0-20 см чернозема типичного мощного Центральночерноземного заповедника (Курская обл.) после распашки целины, когда почва находилась в состоянии чистого пара. По фактическим данным [10] было определено, что сразу после распашки запасы растительных остатков в почве (e ) равны 34,4 т/га, а запасы общего гумуса в момент распашки (Г0) - 164,2 т/га. В результате процедуры оптимизации получены следующие значения параметров: Лveg a 0,62 год-1 (Т a 112 года), к a 0,2S и Л a 0,011 год -1 (Тшъ a
vn ' пит ' х l/2,hum
63,0 года). Средняя погрешность модели eMj= 10 %. Сопоставление результатов расчета с фактическими данными показало, что использование модели для долгосрочного прогнозирования приведет к большой ошибке.
Анализ фактических данных (рис. 1) позволяет предположить, что об-
Рис. I. Динамика изменения запасов общего гумуса после распашки целины (двухкомпонентная модель гумуса)
щий гумус состоит из двух компонент. Первая компонента распадается быстро (до 16 лет после распашки). Назовем ее условно неустойчивым гумусом. Вторая компонента распадается значительно медленнее. Назовем ее устойчивым гумусом. Также предположим, что обе компоненты описываются уравнениями (6) -(8), но с разными значениями вели-
(8)
чин Г , Г, А.
к . Чтобы их разли-
чать, для неустойчивого гумуса добавим нижний индекс "неуст", а для устойчивого - нижний индекс "уст". Если эти индексы отсутствуют, то эти параметры относятся к общему гумусу. Для дальнейших расчетов примем, что Л a о,62 год _1, а к a к,
' vea ' ' vn vn,Heycm
+ к, a 0,2S, значения которых со-
vn,ycm ' ' 1
ответствуют данным [II].
Выдвинутые предположения проверим следующим образом. Согласно гипотезе, при t >16 лет в почве остался только устойчивый гумус, запасы которого описываются уравнением (8). За начало отсчета (t a 0) примем время через 16 лет после распашки. В уравнении (8) вместо Г0 будет Г16 - запасы гумуса через l6 лет. С учетом этого уравнение (8) для устойчивого гумуса запишем в виде
Гí)
d = У
'hum, уст
(9)
На рисунке 2 показано уравнение " регрессии 1п[Г16/ Г!®] = 0,00471? с коэффициентом детерминации И2=1, полученное по фактическим данным. Это означает, что распад устойчивого гумуса описывается экспоненциальной зависимостью (8), а значение
А,
пит.уст
года).
0,00471 год (Т1/2уст a 147,2
ÍJ ф
<в s s а
z
IO
а
p о
30 40 50 60 Бремя t, лег
Рис. 2. Зависимость ln/T /r(t)] от времени t (фактические данные; сплошная линия - уравнение линейной регрессии)
Отсюда следует, что в равновесном состоянии доля неустойчивого гумуса 7 %, а доля устойчивого 93 %.
Используя полученные значения параметров, проверим модель по независимым фактическим данным, полученным в многофакторном полевом опыте ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии в
сложно показать, что относительная погрешность оценки запасов устойчивого гумуса будет определяться зависимостью
= £и
Р..
(II:
где Р и Р
неуст уст
Из уравнения (9) при ? = -16 лет следует, что перед распашкой (вернемся к ? = 0 для момента распашки) запасы устойчивого гумуса Г0 уст = 134,6 т/га. Следовательно, перед распашкой запасы неустойчивого гумуса Г0 = Г0 - Г0 = 164,2 - 134,6 =
О.неуст 0 0,уст ' '
29,6 т/га.
Теперь оценим значения коэффициентов гумификации для устойчивого к. и для неустойчивого к. гумуса. Рассмотрим равновесное состояние почвы перед распашкой, которому соответствует поступление растительных остатков а а 12,3 т/(га год) [10]. Для устойчивого гумуса из уравнения (7) при Гт ст а Г0ст а 134,6 т/га, Я. а 0,0047Тгод ^следует,
' ' пит,уст ' '
что кфуст а 0,0S2. Тогда для неустойчивого гумуса к. а к,-к. а o,2S - 0,0S2 а 0,198.
Для неустойчивого гумуса оценка значения Я. связана с большой
кит, иеуст
неопределенностью. Через 16 лет фактические запасы общего гумуса равнялись 124,8 т/га. Приближенно примем, что в это время запасы неустойчивого гумуса равнялись 1/4 от погрешности определения общего гумуса (2 %), т.е. за 16 лет они снизились с 29,6 до 0,624 т/га. Тогда из уравнения (8) следует, что Я. а
1 4 ' ' ттмеуст
0,241 год -1 (Г^неуст а 2,87 года). На рисунке 1 показано сопоставление рассчитанных запасов общего гумуса с фактическими данными. Погрешность расчета по модели емод а 2,2 %, т.е. погрешность двухкомпо-нентной модели уменьшилась в 4,5 раза.
Учитывая полученные значения параметров модели, из уравнения (7) следует, что для предельного (равновесного) состояния отношение составит
Г к, Л,
<х>леует _ -гп.неуст пит.уст _0 075*} МО)
Т-' Л 7 ' — " V /
' ,„■:< кшимсуст гЬ.уст
Рис. 3. Прогноз динамики запасов общего гумуса в слое 0-20 см для шести вариантов многофакторного полевого опыта ВНИИЗиЗПЭ
черноземе типичном. Опыт размещен в нескольких километрах от заповедника. Имеются фактические данные по запасам общего гумуса, но отсутствуют данные по долевому вкладу каждой компоненты. Заметим, что неустойчивый гумус очень динамичен: быстро распадается и большая часть поступающего органического вещества трансформируется в эту компоненту. Примем, что запасы неустойчивого гумуса определяются с большой погрешностью (50 %). Не-
доли в общем гумусе соответственно для неустойчивой и устойчивой компонент. Подставим полученные значения в (11) и получим, что погрешность оценки запасов устойчивого гумуса равняется е а 3,8 %. Следовательно,
уст
большая погрешность в оценке запасов неустойчивого гумуса приводит к относительно небольшой погрешности в оценке запасов устойчивого гумуса. Поэтому в дальнейших расчетах примем Р а 7 %
неуст
и Руста 93 %.
уст
В варианте с бессменным паром содержание общего гумуса в пахотном горизонте за 24 года уменьшилось с 5,3±0,3 % до 4,3±0,1 %. Рассчитанное по модели содержание гумуса равняется 4,40 %, т.е. погрешность расчета е а 2,4 %.
1 1 мод '
Теперь рассмотрим другие шесть вариантов опыта с двумя севооборотами: зернопаропропашной (чистый пар - озимая пшеница - сахарная свекла - ячмень) и зернотравяной (клевер 1-го г. п. - клевер 2-го г. п. - озимая пшеница - ячмень + клевер). Описание вариантов приводится в таблице 1. В таблице 2 приводятся фактические и рассчитанные
I. Варианты опыта
Описание
1 Зернопаропропашной севооборот, без удобрений, вспашка
2 Зернопаропропашной севооборот, 48 т/га органических удобрений*, вспашка
3 Зернопаропропашной севооборот, без удобрений, безотвальная обработка
4 Зернотравяной севооборот, без удобрений, вспашка
5 Зернотравяной севооборот, 48 т/га органических удобрений, вспашка
6 Зернотравяной севооборот, без удобрений, безотвальная обработка
"Органические удобрения вносили один раз в ротацию четырехпольных севооборотов (только в первые две ротации).
2. Фактические данные и результаты расчета запасов гумуса в слое почвы 0-20 см
Вариант Фактические запасы общего гумуса*, т/га Модель
Запасы общего гумуса в 2006 г., т/га Погрешность, % Предельные запасы общего гумуса**, т/га Предельное содержание общего гумуса**, %
1986 г. 2006 г.
1 123,7 115,3 110,0 -4,6 34,1 1,65
2 128,1 114,9 115,8 0,8 48,2 2,27
3 127,5 119,4 113,0 -5,3 32,9 1,54
4 130,5 119,1 120,2 0,9 64,7 3,05
5 123,2 113,9 116,1 1,9 78,8 3,81
6 132,5 123,7 122,1 -1,3 65,9 2,97
"Данные Масютенко Н.П. [12].
"При равновесном состоянии, к которому стремятся запасы гумуса.
данные по запасам гумуса. Средняя погрешность расчетов емод a 2,S %.
Продолжительность наблюдений 20 лет является малой по сравнению с периодом полураспада устойчивого гумуса (147,2 года). Используя модель, оценим изменение запасов гумуса за 200 лет, когда началась интенсивная распашка целины [13, 14]. Поскольку отсутствуют данные по поступлению в почву органического вещества, расчет проведен для варианта № 1, который является наихудшим. Результаты расчета показали, что через 200 лет после распашки целины запасы гумуса в почве должны сократиться в 2,2 раза. Следовательно, модель дает разумный результат, и она может использоваться для долгосрочного прогнозирования.
Для шести вариантов многофакторного опыта был сделан прогноз динамики запасов гумуса в слое 020 см (начальное содержание гумуса примерно 6 %). Полученные результаты представлены на рисунке 3, из чего следует, что для всех вариантов запасы гумуса уменьшаются и стремятся к предельным значениям (табл. 2).
Таким образом, ни один из вариантов опыта не способен стабилизировать имеющиеся запасы гумуса в почве, даже зернотравяной севооборот, который называется почвозащитным. Для сохранения имеющихся запасов гумуса требуется вносить в почву значительно больше органического вещества, чем это делается в настоящее время.
Литература
I. Адерихин П.Г. Изменение черноземных почв ЦЧО при их использовании в сельском хозяйстве/Черноземы ЦЧО и их плодородие. - М.: Наука, 1964. - С.61-69.
2. Афанасьева Е.А. Черноземы Средне-Русской возвышенности. - М.: Наука, 1966. - 224 с.
3. Гончар-Зайкин П.П., Журавлев О.С. Объектно-ориентированное моделирование трансформации органического вещества в почве/Современная агрофизика
- высоким технологиям. Матер. между-нар. конф. (Санкт-Петербург. 25-27 сентября 2007 г.). - СПб., 2007. - С. 94-98.
4. Гильманов Т.Г. Математическая модель процесса накопления гумуса в степных почвах. - Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева, 1975. - В.10. - С.78-84.
5. Алиев С.А. Экология и энергетика биосистем. - Баку: Элм, 1978. - 254 с.
6. Довнар В.С. Математическая модель динамики запасов гумуса в почве.
- Научн. тр. БелНИИ земледелия, 1985.
- В. 25 - С.105-114.
7. Володин В.М., Сухановский Ю.П., Чередниченко А.В. Математическая модель динамики гумуса. - Бюл. Почв. инта им. В.В. Докучаева, 1985. - в. XXXVI.
- С. 43-44.
8. Рыжова И.М. Анализ устойчивости почв на основе нелинейных моделей круговорота углерода/Дисс... докт. биол. наук. - М., 2006. - 173 с.
9. Лисецкий Ф.Н. Пространственно-временная организация агроландшаф-тов. - Белгород: Изд-во Белгор. гос. унта., 2000. - 304 с.
10. Утехин В.Д., Хоанг Тьюнг. Структура и продуктивность фитомассы луговой степи/Биота основных геосистем центральной лесостепи. - М., 1976. - С.7-24.
11. Лыков А.М. К методике расчетного определения гумусового баланса почвы в интенсивном земледелии//Известия ТСХА, 1979. - Вып. 6. - С. 14-20.
12. Прущик А.В., Сухановский Ю.П. Изменение содержания гумуса в черноземных почвах в длительном стационарном многофакторном полевом опыте/ Инновации, землеустройство и ресурсосберегающие технологии в земледелии. Сб. докл. конф., 11-13 сентября 2007 г.,
Курск. - Курск: ВНИИЗиЗПЭ, 2007. -С. 430-433.
13. Бахирев Г.И. Закономерности проявления и интенсивность среднемно-голетней эрозии почв на пашне в Курской области/Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях. - М.: Изд-во МГУ, 1981. - С. 22-23.
14. Литвин Л.Ф. География эрозии почв сельскохозяйственных земель России. - М.: ИКЦ "Академкнига", 2002. -255 с.
Статья поступила в редакцию 16.07.2008
Long-term prognostication of changes of humus9 stores in soil
Y.P. Sukhanovsky, N.P. Masyutenko, S.I. Sanzharova, A.V. Prushchik
There has been worked out the model of dynamics of humus' stores in soil and maid a forecast of dynamics of humus' stores in soil' layer of 0-20 cm. Keywords: humus, soil, prognostication.
U ф
ä
Ф
ь
ф
ä
s
ф
z
IO
Ji P
о
