CC BY
21
УДК 631.432.32: 551.577
ЛИЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КРУГОВОРОТА ПИТАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В АГРОСИСТЕМАХ НА ТЕМНО-СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЕ
Л.П. Огородников, д.с.-х.н., П.А. Постников, к.с.-х.н.
Уральский НИИ сельского хозяйства, e-mail: uralniishos@mail.ru, Postnikov.ural@mail.ru
В лизиметрическом опыте на темно-серой лесной почве изучено влияние различных фонов питания и полевых севооборотов на просачивание атмосферных осадков через корнеобитаемый слой почвы. В среднем за 5 лет исследований в зависимости от фона питания и вида севооборота за вегетационный период просачивалось от 54,6 до 69,3 л/лизиметр. Применение органических удобрений (навоз, сидераты, солома) в сочетании с минеральными фонами (N30P30K30 и N60P60K60) способствовало снижению инфильтрации воды на 9-21% по сравнению с контролем. Возделывание клевера в лизиметрах обеспечило уменьшение просачивания атмосферных осадков на 4,810,4% по отношению к севооборотам, не имеющим многолетних бобовых трав. Максимальное просачивание осадков через 70 см слой почвы за вегетационный период отмечено в 2014-2015 гг.
Ключевые слова: темно-серая лесная почва, севооборот, фон питания, лизиметрический опыт, удобрения, инфильтрация.
LYSIMETRIC EXPERIMENT OF NUTRIENTS CYCLE IN AGROECOSYSTEMS
AT DARK-GRAY FOREST SOIL
Dr. Sci. L.P. Ogorodnikov, PhD. P.A. Postnikov
Ural Scientific-Research Institute for Agriculture, e-mail: uralniishos@mail.ru, Postnikov.ural@mail.ru
In 2011-2015, in lysimetric experiment on dark-gray forest and soddy-podzolic soils was investigated the influence of different backgrounds power and field crop rotations for infiltration of precipitation through the root layer of soil. On average, over 5 years of research during the growing season depending on the background of power and type of rotation was leaked from 54.6 to 69.3 l/lysimeter. Application of organic fertilizers (manure, green manure, straw) in combination with mineral backgrounds (N30P30K30 andN60P60K60) contributed to the reduction of water infiltration on 10-21% compared with control. Growing clover in lysimetric helped reduce infiltration of precipitation at 4.8-10.4% in relation to the rotation of crops without perennial grasses. The maximum infiltration ofprecipitation through a 70 cm layer of soil during the growing period is marked in 2014-2015.
Keywords: dark-gray soil, crop rotation, nutrition background, lysimetric experiment, fertilizers, infiltration.
Проблема экологизации земледелия приобретает огромное значение. Для решения ее неоценим опыт использования лизиметров при изучении функционирования аграрных экосистем. Изучение различных факторов, обусловливающих вымывание элементов питания из почвы и удобрений, позволит обосновать мероприятия по устранению потерь или по снижению их до минимума. Это важно как с точки зрения повышения продуктивности сельскохозяйственных культур, так и охраны биосферы от загрязнения [1-8]. Моделирование процессов, происходящих в почве, наиболее наглядно можно наблюдать при проведении исследований в лизиметрической установке [1, 5].
Цель исследований - выявить воздействие полевых севооборотов и фонов питания на инфильтрацию атмосферных осадков и вымывание основных элементов питания из корнеобитаемого слоя почвы.
Материалы и методы. Регулярное изучение интенсивности просачивания атмосферных осадков
в различных почвенных разностях Среднего Урала было начато в 1989 г. Учеты и наблюдения проводятся и в настоящее время. Лизиметрическая установка состоит из 46 железобетонных колец площадью 0,75 м2. Забивку колец почвой проводили по горизонтам на глубину 70 см. Просачивающаяся атмосферная вода по полиэтиленовой трубке поступала в подвальное помещение в десятилитровые бутыли [5].
Опыты с полевыми севооборотами заложены в 2011-2015 гг. на темно-серой лесной слабооподзо-ленной почве, которая характеризовалась следующими показателями: рИКС1 - 5,5; Нг - 3,35 ммоль/100 г почвы; - 211; Р2О5 - 170; К2О -130 мг/кг почвы; гумус - 5,26%.
Севообороты были развернуты во времени и изучались на трех фонах питания по следующим схемам: зернопаросидеральный (пар сидеральный (рапс) - пшеница - овес - горох - ячмень); зерновой (пшеница - однолетние травы - поукосно яровой
рапс - ячмень - овес - горох); зернотравяной (2 поля клевера, клевер 2 г.п. - пшеница - овес -ячмень с подсевом трав - клевер 1 г.п.); зерно-травяной (1 поле клевера, клевер 1 г.п. - ячмень - овес - горох - пшеница с подсевом трав).
Фон питания: 1. Без удобрений - контроль; 2. Органоминеральный - К30Р30К30 (сидерат, солома); 3. Органоминеральный - К60Р60К60 (солома 2 раза за ротацию).
Из минеральных удобрений использовали азотно-фосфорно-калийное удобрение с содержанием основных элементов питания по 15 кг/га д.в. Во всех севооборотах в качестве органического удобрения применяли солому (2 раза за ротацию). В зернопаросидеральном севообороте запахивали зеленую массу ярового рапса в паровом поле, в зернотравяных -отаву клевера.
Результаты исследований. Количество атмосферных осадков, просачивающихся через лизиметр, зависит от: 1) Конструкция лизиметра, его глубина, наличие или отсутствие боковых стенок, выступающие над почвой (края лизиметра); 2) Время года (весной и осенью просачивание выше, нежели зимой и летом); 3) Количество атмосферных осадков и их распределение во времени (большое количество атмосферных осадков, особенно выпавших за небольшой отрезок времени, обусловливает более высокое просачивание, чем меньшее или даже большее, но сильно растянутое во времени); 4) Наличие растений (в этих условиях просачивание меньше, нежели в парующем лизиметре, вследствие значительного поглощения влаги растениями).
Для того, чтобы составить баланс питательных веществ необходимо учитывать также и приход атмосферных осадков. Атмосферные осадки представляют собой раствор солей, газов и кислот, адсорбированных ядрами конденсации, поступающих в атмосферу под влиянием естественных и искусственных факторов, поэтому в атмосфере создается трехфазная система, состоящая из жидкости, газа и твердого вещества. В процессе их физико-химического взаимодействия образуется раствор, обогащенный кислородом, углекислым газом, озоном и т.д. Минерализация атмосферных осадков может значительно увеличиться при их прохождении через воздушную среду промышленных городов, насыщенную аэрозолями различного химического состава.
Наблюдения за химическим составом осадков показали, что в среднем за год с ними на поверхность почвы попадает около 24 кг/га минерального азота в различных формах. Такое большое количество азота в осадках свя-
зано с тем, что лизиметрическая установка находится в городской черте. Необходимо отметить, что в летний период преобладало выпадение аммиачной формы азота, а в осенний период - нитратной. Из зольных элементов в атмосферных осадках преобладали кальций и калий. Так, в среднем за один год их содержание составило в среднем соответственно 55,9 и 15,0 кг/га. В то же время, выпадение подвижных форм фосфора с осадками не превышает 1,29 кг/га, а магния - 10,8 кг/га в год. Из других химических соединений выявлено большое количество анионов угольной кислоты, в среднем около 320,0 кг/га в год. Максимальное ее количество в атмосферных осадках обнаружено в теплый период, когда растения интенсивно выделяют углекислый газ в процессе дыхания. В зимний период происходит снижение концентрации угольной кислоты.
В умеренно-влажные (2011, 2013 гг.) и засушливый год (2012 г.) объем инфильтрата на 1 лизиметр на неудобренном фоне темно-серой лесной почвы составил 19-51 л, а во влажные годы (2014-2015 гг.) - он увеличивался до 95-147 л. Максимальный показатель установлен в 2014 г. В пересчете на единицу площади непроизводительные потери воды на темно-серой почве в зависимости от количества атмосферных осадков за годовой цикл могут достигать величины 25-197 мм с 1 га пашни, или 5-32% от всех выпавших осадков в виде снега и дождя.
Наблюдения в лизиметрической установке в условиях за период 2011-2015 гг. показали, что просачивание атмосферных осадков через почву (инфильтрация) зависит не только от количества атмосферных осадков, но и от уровня питания культур в севооборотах (табл. 1).
Наименьший объем инфильтрата на темно-серой лесной слабооподзоленной почве отмечен в зернопаросиде-ральном и зернотравяном севооборотах, а наибольший в зерновом и зернотравяном севообороте. Так, в зернопа-росидеральном севообороте в среднем за пять лет просачивание атмосферных осадков через темно-серую лесную почву в варианте без внесения удобрений составило 66,1 л воды на 1 лизиметр, в зерновом соответственно 69,3 л/лизиметр, или 88-92 мм. При этом значительная часть воды просачивалась в ранневесенний период при наступлении положительных температур воздуха. В летний период из-за сильного испарения влаги из верхнего слоя почвы и ее потребления растениями просачивание воды находилось на уровне 3-4 л/лизиметр, или 10-12% от общего количества инфильтрационной воды за вегетационный период.
1. Просачивание атмосферных осадков через почву в зависимости от вида севооборота и фона питания, л/лизиметр (среднее за 2011-2015 гг.)
Севооборот Объем инфильтрата
контроль ^орзоКзо ^0Р60К60
Зернопаросидеральный 66,1 54,6 59,9
Зерновой 69,3 57,9 62,8
Зернотравяной (2 поля клевера) 66,2 55,0 59,1
Зернотравяной (1 поле клевера) 68,4 58,2 61,2
Внесение ^0Р30К30 и К60Р60К60 в сочетании с органическими удобрениями способствовало снижению количества инфильтрата в сравнении с контрольным вариантом на 3,6-21,1%. В то же время в зернотравяном севообороте с одним полем клевера количество инфильтрата на 3,6-6,2% выше по сравнению с зернотравяным севооборотом с двумя полями клевера. Возделывание клевера в лизиметрах обеспечило уменьшение просачивания атмосферных осадков на 4,8-10,4% по отношению к севооборотам, не имеющим многолетних бобовых трав. Подобная закономерность просачивания атмосферных осадков через почву сохранилась и на дерново-подзолистой почве. Однако следует отметить, что количество инфильтрата на дерново-подзолистой почве выше, чем на темно-серой лесной почве на 0,5-2,8%.
В целом же для всех типов севооборотов, заложенных нами на темно-серой лесной, дерново-подзолистой почвах, характерна одна особенность -внесение минеральных и органических удобрений под полевые культуры в сравнении с естественным фоном плодородия, независимо от вида севооборота, уменьшает объем инфильтрации атмосферных осадков за пределы корнеобитаемого слоя.
Потери питательных элементов из корнеобитае-мого слоя посредством вымывания их из почвы обусловливаются двумя факторами - концентрацией самих химических соединений в почвенном растворе и количеством атмосферной влаги просочившейся через почву в грунтовые воды. Концентрация элементов питания в почвенном растворе находится в прямой зависимости от степени окуль-туренности почвы и количества применяемых минеральных и органических удобрений. Установлено, что концентрация основных элементов питания возрастает в лизиметрических водах с повышением уровня питания. В то же время, влияние севооборо-
тов на концентрацию элементов питания значительно ниже (табл. 2).
На основании наблюдений за концентрацией основных элементов питания в лизиметрических водах и количества просочившихся атмосферных осадков через почву было рассчитано количество вымываемых химических веществ из почвы в зависимости от вида севооборота и уровня питания. Выявлено, что минимальные потери химических элементов из корнеобитаемого слоя на темно-серой лесной почве отмечены в зернопаросидеральном севообороте (табл. 3).
В инфильтрате в зернопаросидеральном севообороте на темно-серой лесной почве по вариантам опыта содержание минерального азота колебалось в пределах 5,86-7,01 кг/га, фосфора - 0,25-0,46 и калия 6,73-8,13 кг/га. В то же время, потери азота, фосфора и калия из корнеобитаемого слоя темно-серой лесной почвы в зерновом севообороте в сравнении с зернопаросидеральным севооборотом выше. Колебания по вымыванию элементов питания из корнеобитаемого слоя по минеральному азоту составили 6,21-7,69 кг/га, фосфору - 0,33-0,52 и калию - 7,45-9,28 кг/га. Промежуточное положение по вымыванию основных элементов питания из корнеобитаемого слоя на темно-серой лесной почве отмечено в зернотравяном севообороте. Следует заметить, что наибольшие потери элементов питания из корнеобитаемого слоя наблюдались во влажные 2014 и 2015 гг. Установлено, что из общего количества вымываемого азота атмосферными осадками из корнеобитаемого слоя темно-серой лесной почвы по всем севооборотам 93,1-95,9% приходится на нитратную форму.
Для оценки эффективности изучаемых полевых севооборотов в лизиметрах проводили определение продуктивности пашни в расчете на 1 га. В зерно-
2. Концентрация азота, фосфора и калия в лизиметрических водах в зависимости от вида севооборота и уровня питания на темно-серой лесной почве, мг/л (среднее за 2011-2015 гг.)
Вариант Азот N мин. Р2О5 К2О
NH4 NOз NO2
Зернопаросидеральный севооборот
Контроль 0,16 6,56 0,12 6,84 0,53 8,05
^30Р30К30 0,26 10,26 0,18 10,70 0,86 12,65
^0Р60К60 0,28 10,83 0,19 11,30 0,95 13,41
Зерновой севооборот
Контроль 0,35 8,83 0,21 9,39 0,56 11,27
^30Р30^30 0,45 11,94 0,28 12,67 0,80 15,21
^0Р60К60 0,50 12,97 0,33 13,80 0,88 16,73
Зернот равяной севооборот (2 поля клевера)
Контроль 0,25 6,24 0,19 6,68 0,62 7,85
^30Р30^30 0,36 9,28 0,25 9,89 0,32 11,11
^0Р60К60 0,42 10,50 0,29 11,21 1,01 13,25
Зернот] равяной севооборот (1 поле клевера)
Контроль 0,37 7,90 0,16 8,43 0,60 10,10
^30Р30^30 0,49 10,89 0,35 11,73 1,10 14,06
^0Р60К60 0,54 12,79 0,43 13,76 0,77 16,50
3. Потери основных элементов питания из корнеобитаемого слоя в зависимости от вида севооборота и уровня питания на темно-серой лесной почве (среднее за 2011-2015 гг.)
Вариант Потери элементов питания, кг/га
азот N Р2О5 К2О
NH4 NO3 NO2
Зернопаросидеральный севооборот
Контроль 0,11 5,67 0,08 5,86 0,25 6,73
N30P30K30 0,12 6,13 0,09 6,34 0,38 7,34
N60P60K60 0,13 6,78 0,10 7,01 0,46 8,13
Зерновой севооборот
Контроль 0,20 5,89 0,12 6,21 0,33 7,45
N30P30K30 0,20 6,57 0,13 6,90 0,40 8,27
N60P60K60 0,24 7,30 0,15 7,69 0,52 9,28
Зернотравяной севооборот (2 поля клевера)
Контроль 0,14 5,54 0,10 5,78 0,40 6,64
N30P30K30 0,14 6,37 0,11 6,62 0,46 7,63
N60P60K60 0,17 7,03 0,12 7,32 0,50 8,45
Зернотравяной севооборот (1 поле клевера)
Контроль 0,20 5,87 0,12 6,19 0,36 7,42
N30P30K30 0,20 6,55 0,14 6,89 0,50 8,26
N60P60K60 0,24 7,02 0,18 7,44 0,54 8,22
паросидеральном севообороте в варианте без внесения минеральных удобрений на 1 га севооборотной площади в среднем за пять лет приходится зерна 1,18 т, сухого вещества - 2,10 т, кормовых единиц -1,73 тысяч и обменной энергии - 19,36 ГДж. Применение минеральных удобрений в дозе ^оРзоКзо и К60РбоК<5о повышало эти показатели по сравнению с неудобренным вариантом. Так, приход зерна возрастал на 24,6-39,8, сухое вещество - на 26,2-44,3, сбор обменной энергии с урожаем больше на 30,5-46,6.
Зерновой севооборот по сравнению с зернопаро-сидеральным не увеличивает приход зерна (0,951,65 т), но в то же время возрастает приход сухого вещества на 0,30-0,66 т, обменной энергии на 5,118,39 ГДж по отношению к контролю. Зернотравяные севообороты занимали промежуточное положение.
Выводы. 1. Общее количество азота, поступающего в почву с атмосферными осадками, в среднем за пять лет составило 24,0 кг, фосфора - 1,29 кг, калия - 15,0 кг/га, СаО - 50 кг/га.
2. Величина инфильтрации из корнеобитаемого слоя темно-серой лесной почвы зависела от количества выпадающих атмосферных осадков за год, максимальные потери воды обнаружены в избыточно увлажненные 2014-2015 гг.
3. При систематическом применении органических удобрений на фоне минеральных выявлено снижение инфильтрации на 9-21% по отношению к контролю. Наименьшее количество инфильтрата обнаружено при применении сидерата и соломы на фоне ^оРзоКзо. Возделывание клевера в зернотравя-ных севооборотах снижает непроизводительные потери воды на темно-серой почве.
4. При внесении средних доз удобрений (60 кг/га д.в.) вынос элементов за пределы биогеоценоза вследствие внутрипочвенного стока на темно-серой лесной почве Среднего Урала невелик и поэтому не может оказывать вредного влияния на окружающую среду.
Литература
1. Голубев Б.А. Применение лизиметрического метода в агрохимических исследованиях / Лизиметрические методы исследования в почвоведении и агрохимии. - М.: Наука, 1967. - 112 с.
2. Колодяжная А.А. Режим химического состава атмосферных осадков и их метаморфизация в зоне аэрации. - М.: АН СССР, 1963. - 158 с.
3. Петербургский А.В. Круговорот и баланс питательных веществ в земледелии. - М.: Наука, 1979. - 168 с.
4. Коротков А.А., Буркова О.А. Вымывание элементов питания из дерново-подзолистых почв суходольного луга // Почвоведение, 1994, № 3. - С. 63-68.
5. Чесноков Н.А. Карпова М.Н. Лизиметрические исследования в условиях Среднего Урала // Агрохимический вестник, 2003, № 2. - С. 20-21.
6. Зезин Н.Н., Постников П.А. Вымывание и баланс элементов питания в лизиметрических исследованиях / Развитие и внедрение современных технологий и систем ведения сельского хозяйства, обеспечивающих экологическую безопасность окружающей среды: мат. Междунар. научно-практ. конфер., посвящ. 100-летию Пермского НИИСХ (35 июля 2013 г.). - Пермь, 2013, Т. 1. - С. 198-206.
7. Огородников Л.П., Постников П.А. Просачивание атмосферных осадков через почву на Среднем Урале // АПК России, 2015, Т. 73. - С. 116-119.
