CC BY
11
АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2019, том 25, № 1 (78), с. 43-48
: ОТРАСЛЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ЗАСУШЛИВЫХ ЗЕМЕЛЬ ———
УДК 631.4(571.54)
К ВОПРОСУ О ВОССТАНОВЛЕНИИ ПЛОДОРОДИЯ ДЕФЛИРОВАННЫХ
СУХОСТЕПНЫХ ПОЧВ (НА ПРИМЕРЕ МОДЕЛЬНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ ОПЫТОВ)1
© 2019 г. Г.Д. Чимитдоржиева
Институт общей и экспериментальной биологии Сибирского отделения РАН Россия, 670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, д. 6. E-mail: [email protected]
Поступила в редакцию 04.04.2018. После доработки 20.05.2018. Принята к публикации 20.06.2018.
В связи с широким распространением в Забайкальском регионе дефлированных малогумусных каштановых почв проводился поиск способов для восстановления их утраченного плодородия путем постановки модельных экспериментов с применением зеленых масс и корней сидеральных культур: люцерны, донника и рапса. Результаты опыта показали, что внесенные свежие органические массы увеличивали содержания углерода на 32-53% от неудобренного варианта, азота - на 80% от использования зеленых масс люцерны и донника, а от их корней -на 27-55%, также в гумусе заметно возрастание гуматности, а в формах азота - минеральной. Ключевые слова: дефлированные каштановые почвы, лабораторные модельные опыты, применение сидератов: люцерны, донника, рапса. DOI: 10.24411/1993-3916-2019-10043
Широкое распространение дефляционных процессов в бассейне оз. Байкал, обусловленное в значительной степени сухостью климата, мощной инсоляцией, малой лесистостью земледельческих территорий и большой распаханностью, земель является причиной глубокой деградации почвенного плодородия. Из-за горного рельефа, легкого гранулометрического состава и неправильного использования свыше 600 тыс. га в Республике Бурятии 59.0% пахотных земель составляют каштановые почвы, которые подвержены дефляции и содержат всего 0.96-2.3% гумуса, тогда как в Западной Сибири эта цифра находится в пределах 1.5-4.0% (Гамзиков, 2009), а в Европейской части России эти показатели составляют 2.3-3.3% (Когут, 2012).
В последнее время в связи с ухудшением качества сельскохозяйственных земель и продукции растениеводства все больше внимания уделяется вопросам биологизации земледелия (Чекмарев, Лукин, 2014; Борисова, 2015; Дедов и др., 2017), т.е. внедрению в земледелие сидерации и применению зеленых удобрений. Их органическое вещество рассматривается как создаваемый в почве запасный резерв питательных веществ, которые при заделке в почву переходят в усвояемую растениями форму, причем не сразу, а постепенно в течение вегетационного периода. Особенно ценное качество этого удобрения из бобовых - его способность обогащать почву азотом. Принципиальное отличие зеленых удобрений в том, что в почву заделываются еще не отмершие зеленые сочные растения, богатые углеводами, белком и азотом. Такие удобрения - не новый прием в сельском хозяйстве, большое применение они имели еще в Древнем Риме и Греции, где использовали люпин белый (Lupinus albus). В Европе зеленое удобрение стало распространяться в XVI веке сначала в Италии, затем во Франции и Испании, а в конце XVIII века - в Германии и Польше. В нашей стране применять его начали несколько позже. Сидерация в основном с помощью люпиносеяния в нашей стране проводилась чаще на легких почвах, преимущественно на дерново-подзолистых (Довбан, 1996; Бузмаков, 1988; Заикин, 1991; Лошаков, 1999; Лошаков, Николаев, 1999). Имеются положительные результаты исследований на серых лесных суглинистых почвах Иркутской области (Шевчук, 1979), в Омской области - в повышении плодородия темно-каштановых почв. В настоящее время в нечерноземной полосе в качестве сидерата широко пропагандируется ценная кормовая культура - амарант (Нарциссов, 1983; Тужилин, 1995). В качестве сидератов можно использовать и другие культуры: донник, эспарцет, рапс. В последние годы в Германии в качестве зеленого
1 Работа выполнена в рамках темы Госзадания № госрегистрации АААА-А17-117011810038-7.
43
удобрения используют ботву сахарной свеклы, а в Японии - не только специально высеваемые культуры, но и сорную растительность, листья и стебли бобовых, которые скашивают и переносят на поля. Во Франции и Англии применяют кормовой редис, горчицу белую, различные смеси с горохом и викой, китайскую редьку, яровой и озимый рапс, райграс итальянский, клевер луговой (Anon, 1986; (Morris et al., 1986; Morris,1996; Tine, Blevins, 1999).
На Алтае Г.Г. Морковкин и И.В. Демина (2009) приводят результаты многолетних исследований по минерализации сидератов, в которых устанавливают, что активнее она шла у гороха, горохоовсяной смеси, гречихи и слабее у пшеницы и смеси сорных трав. Они выявили увеличение гумуса на 4.6-11.2% при применении зеленых удобрений. На легких почвах Бурятии большое внимание отводится культивированию донникового пара, где А.К. Уланов с соавторами (2017, 2018) при этом отмечает бездефицитный баланс гумуса и возрастание продуктивности зернопаропропашного севооборота. Также авторы уделяют много внимания проблемам обработки почв, в особенности ее минимизации (Уланов и др., 2011; Кирюшин, 2013), системе применения удобрений, особенно органическим (Гамзиков и др., 2005; Лапухин, Уланов, 2010) для повышения гумуса. Следует отметить, что наибольшего внимания среди сидератов в условиях сухой степи Бурятии заслуживает желтый донник. Он развивает мощную корневую систему и отличается среди бобовых культур самой высокой засухо- и морозостойкостью. При благоприятных условиях он способен накапливать в почве азота до 150 кг/га, что эквивалентно 30 т навоза на 1 га.
Потому цель работы - на экспериментах модельных лабораторных опытов показать роль, которую внесение растительных остатков играет в повышении плодородия дефлированных почв на примере Бурятии. Полевые севообороты без внесения органических удобрений и без культивирования многолетних трав приводят к дополнительной потере органического вещества в почвах. Поэтому вопросы прогноза изменений ресурсов гумуса, охраны пашни и повышения ее плодородия являются одной из актуальных задач почвенно-земледельческой науки и практики сельского хозяйства в Забайкальском регионе. Природа холодных территорий легкоранима, восстановление ее крайне замедленно и очень сложно из-за подстилающих почвы легких супесчаных почвообразующих пород.
Объекты и методы исследований
Объектом исследований были дефлированные каштановые почвы с содержанием углерода 0.56% и азота - 0.05%. В модельных опытах была поставлена задача изучить влияние сидеральных удобрений (корней и надземных масс люцерны, донника и рапса) непосредственно на гумусное состояние и формы азота почв. Растительные остатки (РО) добавлялись в почву из расчета 50 т/га. Их химический состав определен по А.И. Ермакову с соавторами (1952) и показан в таблице 1. Фракции углерода гумуса (табл. 1) определены по общепринятым методам (Агрохимические ..., 1975). Компостирование почвы с органическими добавками проводилось в 4-кратной повторности в термостате при температуре 28°С и влажности, равной 60% от полной полевой влагоемкости (ППВ). Углерод определялся после 0, 90, 180, 360 и 720 суток (1, 2, 3, 4 сроки) инкубации почвы; данные были статистически обработаны при 4-кратной повторности.
Результаты исследований
Для изучения были выбраны холодные каштановые почвы, обедненные гумусом, на самом востоке России (Чимитдоржиева, 2016). Запасы гумуса в слое 0-20 см составляют 45-70 т/га, а в 050 см редко превышают 80 т. Эти обстоятельства ставят нас перед необходимостью искать пути для сохранения, а в ряде случаев и повышения гумуса в пахотных каштановых почвах, поскольку они являются основными в земледельческой отрасли. Ранее путем компостирования недефлированных почв с количеством углерода 1.3% в оптимальных условиях температуры и влажности мы выявили его критически минимальный уровень - 0.8-0.9%, обязанный содержанию физической глины. При дефляционных процессах происходит механическое выдувание мелкозема и количество углерода падает до 0.3%, и на большой площади отмечаются движущиеся пески. Поэтому мы проводили модельные опыты по внесению РО в дефлированные почвы с содержанием 0.56% углерода. После 30 суток инкубации содержание углерода в контрольных почвах уменьшилось до 0.47%. А при компостировании почвы с добавлением зеленой и корневой масс донника, люцерны, рапса происходит существенное ее обогащение углеродом. Так, уже в течение 90 суток содержание общего
углерода в почве на вариантах с растительными добавками достоверно повысилось до 0.68-0.70% при 0.47% на контроле (табл. 1). Величина отношения Сгк:Сфк во всех опытных вариантах была выше единицы и составила 1.08-1.25, при средней ошибке - 0.02-0.08, а на контрольной почве - 0.92, то есть происходит возрастание ценных гуминовых кислот (ГК; табл. 1). В течение 90 суток деструкция РО, особенно зеленых масс, по большей части завершается. В последующие сроки содержание общего углерода во всех вариантах лишь с небольшими различиями держится на одном уровне, поэтому данные в последующие сроки опыта не приводятся. Но при этом следует заметить некоторую тенденцию увеличения количества Соб при внесении корневой массы донника, люцерны и рапса, которая наблюдается на 180 сутки, в то время как при внесении зеленой массы идет слабозаметное снижение от 1-го к 3-му сроку, вследствие окончания их деструкции. Это объясняется тем, что корни больше обогащены трудно разлагаемыми компонентами гемицеллюлозой и лигнином (табл. 2). Под воздействием растительных добавок в составе гумусовых веществ содержание ГК увеличивается, причем значительнее, чем количество ФК. Гумус приобретает фульватно-гуматный характер.
Таблица 1. Состав растительных добавок в компостировании почв, % на сухое вещество.
Материал С №общ. ^ел. Лигнин Клетчатка Геми-целлюлоза Крахмал Сахара
моно- ди-
Зеленая масса люцерны 52.7 2.89 1.73 16.1 23.9 7.8 8.9 2.0 1.2
Корни люцерны 49.2 2.22 1.14 18.6 24.7 11.3 27.9 3.3 7.7
Зеленая масса донника 55.8 2.43 1.45 13.7 31.9 8.8 10.8 1.7 1.3
Корни донника 48.7 1.11 0.74 17.9 43.4 10.5 13.9 1.3 0.9
Зеленая масса рапса 44.5 1.66 0.98 13.2 32.2 8.8 12.6 2.4 0.3
Корни рапса 26.7 0.78 0.19 25.2 47.8 13.9 17.6 1.3 0.4
Таблица 2. Фракции С гумуса после компостирования почвы с растительными добавками, % к Собщ.
Вариант опыта Собщ.,% Сгк Сумма Сфк Сумма Сгк+Сфк Сгк/Сфк
1 2 3 1а 1 2 3
Почва до компостирования 0.56 6.82 9.84 14.28 30.94 4.76 9.85 6.82 9.53 30.96 61.90 1.0
После 90 суток компости зования
Контрольная почва 0.47* 6.40 15.51 9.70 31.61 1.28 8.81 13.36 9.70 33.14 64.75 0.95
0.014** 0.20 1.03 1.42 2.65 0.04 0.30 1.45 1.42 2.60 5.24 0.025
Почва+зеленая масса донника 0.70 6.42 11.27 12.15 29.84 2.86 11.08 2.20 8.21 24.35 54.19 1.23
0.014 0.34 0.44 0.26 0.47 0.06 0.43 0.34 0.28 0.21 0.39 0.02
Почва+корни донника 0.68 7.38 13.29 12.55 33.23 2.95 5.91 8.85 8.12 25.33 59.06 1.31
0.01 0.09 0.17 0.47 0.63 0.04 0.08 0.07 0.56 0.21 0.74 0.09
Почва+зеленая масса люцерны 0.70 6.08 14.65 11.25 31.97 2.86 6.80 8.94 8.79 27.39 59.36 1.16
0.02 0.38 0.22 0.45 0.70 0.67 0.40 0.41 0.13 0.49 1.14 0.03
Почва+корни люцерны 0.70 7.20 12.95 10.07 30.22 2.88 8.27 7.57 8.99 27.70 57.93 1.09
0.01 0.09 0.16 0.12 0.37 0.03 0.32 0.42 0.26 0.10 0.38 0.025
Почва+корни рапса 0.72 0.01 6.97 0.10 9.76 0.14 9.05 0.28 25.78 0.08 2.79 0.04 5.58 0.08 6.64 0.51 7.69 0.51 22.69 0.98 48.47 0.53 1.13 0.08
Примечания к таблице 2: * - над чертой приводится среднее значение при п=4 (М); ** - под чертой дается ошибка средней величины (±т).
Но по мере увеличения продолжительности опыта количество ГК имеет тенденцию к уменьшению. Содержание ФК продолжало увеличиваться ко 2-му сроку (вариант с надземной и корневой массами донника) и осталось без особых изменений (на варианте с люцерной и рапсом). За счет такого перераспределения углерода в составе гумусовых кислот изменяется и характер гумуса. Корни при разложении придают гумусу почвы устойчивый фульватно-гуматный характер, что объяснимо биохимическим составом корней. Из-за отсутствия больших изменений в течение 180 и 360 суток не приводятся данные по этим срокам инкубации.
При компостировании почвы с растительными добавками, исходно богатыми азотом, как и следовало ожидать, существенно повышалось содержание общего азота по отношению к контрольной почве: на 74% при внесении зеленых масс, на 55% - корней люцерны, на 31% - корней донника, на 26% - корней рапса (рис., табл. 3).
0 50 100 150 200 250 300 Рис. Формы азота в каштановых почвах при компостировании с растительными добавками, мг/100 г.
Таблица 3. Формы азота (К) в каштановых почвах при компостировании с растительными добавками, мг/100 г, при п=4.
Вариант опыта Общий N Минеральный N Легкогидро-лизуемый N Трудногидро-лизуемый N Негидроли-зуемый N
Исходная почва 48.75±1.53 2.10±0.60 7.22±0.04 4.84±0.04 34.58±1.5
После 90 суток компостирования
Контрольная почва 74.27±0.98 5.57±0.07 7.88±0.07 7.98±0.07 52.85±0.96
Почва+зеленая масса донника 128.87±2.60 21.25±0.08 15.66±0.13 4.13±0.09 87.85±2.6
Почва+корни донника 97.67±3.54 6.16±0.06 7.60±0.03 11.59±0.07 72.33±3.4
Почва+зеленая масса люцерны 129.64±2.72 29.57±0.06 16.35±0.05 6.09±0.01 77.39±2.8
Почва+корни люцерны 115.14±1.30 20.97±0.22 11.06±0.29 9.17±0.12 73.95±1.3
Почва+корни рапса 93.67±2.09 1.33±0.04 8.44±0.04 12.32±0,08 71.58±21
После 360 суток компостирования
Контрольная почва 69.14±1.77 23.59±0.07 5.60±0.06 4.90±0.08 35.05±1.6
Почва+зеленая масса донника 105.68±1.68 45.89±0.07 15.79±0.07 31.57±0.17 12.44±1.6
Почва+корни донника 94.69±1.14 26.68±0.06 11.48±0.06 1.09±0.09 55.42±0.12
Почва+зеленая масса люцерны 113.12±2.39 50.58±0.03 15.05±0.09 31.29±0.12 16.21±2.3
Почва+корни люцерны 112.98±2.19 45.89±0.12 9.09±0.17 29.47±0.32 28.33±2.06
Почва+корни рапса 84.70±2.63 24.43±0.13 5.25±0.21 7.28±006 47.74±2.6
В течение 1-го срока количество общего азота во всех вариантах увеличивалось за счет преимущественного образования негидролизуемых соединений азота. По мере увеличения срока компостирования их содержание падает, то есть они трансформируются в гидролизуемые и минеральные формы. Также существенно возрастает количество минерального азота, в особенности к 360 суткам (рис.), это заметно на вариантах с зеленой массой донника и люцерны, но меньше - с корнями, особенно рапса. Динамика качественных изменений в азотном фонде контрольной почвы связана главным образом с активизацией минерализационных процессов самих гумусовых соединений почвы и негидролизуемых форм азота. Содержание трудногидролизуемых форм значительно возрастает при продолжительности инкубации до 360 суток на вариантах с зеленой массой донника, зеленой и корневой массами люцерны, по-видимому, еще продолжается их деструкция.
А в вариантах с корнями донника и рапса незаметна трансформация соединений азота из негидролизуемых в гидролизуемые вследствие того, что в них очень высоки трудноразлагаемые лигнин и гемицеллюлоза: 17.9% и 10.5%; 25.2% и 13.9% соответственно (табл. 2). В корнях люцерны их также много - 18.6% и 13.9%, однако в них, в отличие от донника и рапса, значительно больше как общего азота, так и белкового, поэтому отношение C:N близко к оптимальному, что улучшило процесс деструкции и трансформации этих добавок.
В целом результаты модельных опытов по разложению растительных остатков в оптимальном водно-температурном режиме показали, что они улучшают азотный режим и обогащают почву минеральными формами азота. При более длительных сроках компостирования (360 суток) при некотором снижении содержания общего азота в азотном фонде происходит перераспределение его форм в сторону увеличения содержания минерального азота только за счет трансформации негидролизуемых азотистых соединений в гидролизуемые и подвижные формы, особенно это заметно в вариантах с внесением люцерны и зеленой массы донника. Корни донника и рапса обогащают почву преимущественно негидролизуемыми формами азота, и повышение содержания минерального азота идет в основном за счет трансформации трудногидролизуемых соединений.
Заключение
Таким образом, внесение в дефлированную каштановую почву растительных добавок в виде зеленой массы и корневых остатков люцерны, донника и рапса в оптимальном водно-температурном режиме показывает, что можно существенно повысить содержание углерода с тенденцией изменения характера гумуса в сторону гуматности, особенно в варианте с зелеными массами и значительно улучшить азотный режим, т.к. возрастает количество минерального азота. За счет вовлечения продуктов разложения растительных остатков в гумусовые вещества может стабилизироваться гумус, повыситься обеспеченность почвы минеральным азотом, и, следовательно, можно предупредить деградацию почв. Поскольку сухостепная зона в Забайкальском регионе наименее обеспечена осадками, которые составляют 205-230 мм и 70% которых выпадают в июле-августе, под этот срок необходимо запахивать сидеральные культуры.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Агрохимические методы исследования почв. 1975. М.: Наука. 656 с.
Борисова Е.Е. 2015.Применение сидератов в мире. Вестник Нижегородского Государственного инженерно-
экономического университета. № 6. С. 24-33. Бузмаков В.В. 1988. Зеленые удобрения // Химизация сельского хозяйства. № 6. С. 33-37.
Гамзиков Г.П. 2009. Агрохимические свойства сибирских почв и приемы их регулирования. В кн. Агрохимические свойства сибирских почв и приемы их регулирования // IV Сибирские агрохимические Прянишниковые чтения: материалы международной научно-просветительской конференции, 16-21 июля 2007 г., Иркутск. Новосибирск. С. 11-23. Гамзиков Г.П., Лопухин Т.П., Уланов А.К. 2005. Эффективность систем удобрения в полевых севооборотах на
каштановых почвах Забайкалья // Агрохимия. № 9. С. 24-30. ДедовА.А., Несмеянова М.А., ДедовА.В. 2017. Влияние приемов биологизации земледелия и способов обработки почвы на содержание органического вещества в черноземе типичном и продуктивность севооборотов // Агрохимия. № 9. С. 25-32. Довбан К.И. 1996. Коротко о сидератах // Земледелие. № 3. С. 45-46.
Ермаков А.И., Арасимович В.В., Смирнова-Иконникова М.И., Мурри И.К. 1952. Методы биохимического
исследования растений. М.-Л.: Госиздат сельскохозяйственной литературы. 515 с.
Заикин В.П. 1991. Возможность применения безотвальной обработки дерново-подзолистых и серых лесных почв // Проблемы повышения плодородия дерново-подзолистых почв и внедрение в производство интенсивных технологий возделывания сельскохозяйственных культ. Йошкар-Ола. С. 62-65.
Кирюшин В.И. 2013. Проблема минимизации обработки почвы: перспективы развития и задачи исследований // Земледелие. № 7. С. 3-6.
Когут Б.М. 2012. Оценка содержания гумуса в пахотных почвах России // Почвоведение. № 9. С. 944-952.
Лапухин Т.П., Уланов А.К. 2010. Эффективность применения удобрений на каштановых почвах сухой степи Бурятии // Агрохимия. № 5. С. 29-33.
Лошаков В.Г. 1999. Система севооборотов - основа экологически чистого агроландшафта. Доклады ТСХА. Вып. 270. С. 237-247.
Лошаков В.Г., Николаев В.А. 1999. Влияние длительного применения пожнивного зеленого удобрения на агрофизические свойства дерново-подзолистой почвы. М.: ТСХА. Вып. 2. С. 29-40.
Нарциссов В.П., Заикин В.П. 1984. Биологическая система земледелия // Сельское хозяйство за рубежом. № 4. С. 2-5.
Морковкин Г.Г., Демина И.В. 2009. Интенсивность минерализации сидератов и изменение содержания гумуса в черноземах выщелоченных умеренно засушливой и колочной степи Алтайского края // Вестник Алтайского госуниверситета. № 1 (51). С. 12-16.
Тужилин В.М. 1995. Донник на сидерат в Нечерноземье // Земледелие. № 2. С. 8-9.
УлановА.К., БатудаевА.П. 2008. Эффективность севооборотов в сухой степи Западного Забайкалья // Земледелие. № 5. С. 14-15.
Уланов А.К., Будажапов Л.В., БилтуевА.С. 2017. Динамика изменения содержания гумуса каштановой почвы Забайкалья в длительных опытах с основными приемами земледелия // Плодородие. № 2 (95). С. 42-45.
Чекмарев П.А., Лукин С.В. 2014. Итоги реализации программы биологизации земледелия в Белгородской области // Земледелие. № 8. С. 3-6.
Чимитдоржиева Г.Д. 2016. Органическое вещество холодных почв. Издательство БНЦ СО РАН. 388 с.
Шевчук В.Е. 1979. Бобовые культуры и почвенное плодородие. Иркутск: Восточносибирское книжное издательство. С. 66-81.
Anon I. 1986. Wie wird die Brache Grun // Lohnunternehmen in Land-Fort-Wirtsch. Bd. 43. No. 7. P. 350-351
Morris R.A., Turos R.E., Diros M.A. 1986. Rice Responses to Start Duration Green Manure // Grain Fiel Agrarian Journal. No. 3. P. 409-412.
Morris R.A. 1996. Organik farming Prospekt com-paned vvieth conceptional faring // Phosphonus in Agriculture. P. 3682.
Tine W. W., BlevinsR.J. 1999. Green manuring // Artlok on Agriculture. Vol. 13. No. 1. P. 20-33.
