CC BY
68
УДК 631.452:631.61
модель восстановления плодородия эродированных почв
М.Т. КУПРИЧЕНКОВ, доктор сельскохозяйственных наук, зав. лабораторией
Е.А. МЕНЬКИНА, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник
Ставропольский НИИСХ Россельхозакадемии E-mail: [email protected]
Резюме. На долю эрозии почв в Ставропольском крае приходится до 30...40 % в расходных статьях баланса гумуса. Для компенсации таких потерь требуется до 12.14 млн т навоза ежегодно, однако этого удобрения катастрофически не хватает, и потому необходим поиск нетрадиционных средств в виде побочной растениеводческой продукции. Исследования предусматривали оценку органических удобрений (навоз, солома) при внесении их в генетические горизонты, имитирующие собой почвы разной степени эродирован-ности, и проводились в модельном опыте из 4-х вариантов: контроль, солома, солома с азотом, навоз. При внесении свежей органики в безгумусной породе коэффициент гумификации был в 3-4 раза выше, чем в гумусовых горизонтах. В контроле наблюдалась минерализация гумуса почвы в пределах 7 относительных процентов, а при внесении удобрений направленность биохимических реакций изменялась в сторону гумусообразования. Навоз - самое эффективное средство повышения органогенности почв и с глубиной действие его возрастало: в горизонте А содержание гумуса увеличилось на 4 % (относительных), в В1 - на 10, В2 - на 12, Вс - на 27 и С - на 38 % (относительных). Азотфиксирующая способность при внесении навоза повышалась во всех горизонтах до уровня неудобренного Апах, а нитрогеназная и целлюлазная при заделке соломы увеличивались в 1,5-2,0 раза. Внесение органических удобрений ведет к обогащению почв N-NO3, Р2О5, К2О: навоз увеличивает содержание Р2О5 в 1,5-1,9 раза, К5О - в 1,27-1,36 раза, содержание нитратов после 12 месяцев инкубации в Апах приближается к контролю, а в горизонтах В1 и В2 резко повышается. Улучшение плодородия генетических горизонтов под действием вносимых удобрений подтверждает достоверное увеличение уровня произведенной биомассы озимой пшеницы. В целом при нарушении вертикальной целостности почвы на слабоэро-дированных черноземах более эффективна солома с азотом, на сильноэродированных - навоз.
Ключевые слова: эрозия, гумус, биологическая активность, нитратный азот, подвижный фосфор, обменный калий, солома, навоз.
Проблема восстановления плодородия деградированных почв в последние 2-3 десятилетия становится все более актуальной в связи с усиливающимися эрозионными процессами и отрицательным балансом органического вещества в земледелии. Заметное сокращение поголовья сельскохозяйственных животных неминуемо ведет к резкому дефициту навоза, что диктует необходимость поиска других средств пополнения гумуса в почве. Наиболее доступным из них представляется внесение побочной продукции растениеводства, в частности, соломы зерновых культур [1, 2].
Особенно велика потребность в свежем органическом веществе на бедных гумусом эродированных почвах [3].
Более половины территории Ставропольского края занимают почвы разной степени эродирован-ности, утратившие частично или полностью верхние, наиболее органогенные слои вплоть до выхода на дневную поверхность лежащих ниже генетических горизонтов, активно вовлекаемых в биологический круговорот. Скорость и направленность биохимических процессов в полнопрофильных и эродированных почвах, безусловно, значительно различается. Так, при внесении свежего органического вещества скорость включения углерода в состав гумусовых соединений на безгумусной породе происходит в 3-4 раза интенсивнее, то есть коэффициенты гумификации здесь значительно выше.
Цель наших исследований заключалась в оценке влияния органических удобрений (солома, навоз) на восстановление плодородия генетических горизонтов чернозема как модели, отражающей развитие эрозионных процессов от верхних горизонтов до почвообразующей породы. Задачи исследований предусматривали изучение химического состава удобрений, динамики выделения СО2 генетическими горизонтами, темпов накопления гумуса, изменения биологической активности, пищевого режима и др.
Условия, материалы, и методы. Для проведения исследований из генетических горизонтов Апж, В1, В2, Вс и С чернозема обыкновенного (с целью имитации почвы разной степени эродированности) были отобраны почвенные образцы. Затем доведенные до воздушно-сухого состояния навески почвы перемешивали с соломой, соломой с минеральным азотом, навозом. В пересчете на органический углерод с соломой и навозом было внесено 8,4 и 8,2 г на сосуд соответственно. Учитывая высокую нитрификаци-онную способность почвы минеральный азот в виде
Таблица 1. динамика выделения со2 генетическими горизонтами чернозема при внесении органических удобрений, мг со2/кг почвы/ч*
Время инкубации, месяц Вариант Почвенный горизонт
A пах В1 В2 В с С
1 контроль 1,82 1,01 0,43 3,04 3,69
солома 3,27 1,17 0,16 2,80 4,01
солома+Ы 2,11 1,72 1,80 2,92 3,74
навоз 2,66 1,13 0,31 1,75 1,34
3 контроль 0,79 1,14 0,58 0,52 0,58
солома 1,16 0,83 0,84 0,49 0,57
солома+Ы 0,85 0,73 0,83 0,34 0,58
навоз 0,69 0,83 0,59 0,50 0,55
6 контроль 0,21 0,08 0,14 0,26 0,10
солома 0,21 0,44 0,55 0,55 0,50
солома+Ы 0,07 0,47 0,55 0,55 0,49
навоз 0,31 0,39 0,35 0,62 0,47
9 контроль 0,48 0,47 0,53 0,41 0,55
солома 0,29 0,69 0,68 0,68 0,63
солома+Ы 0,30 0,49 0,58 0,58 0,76
навоз 0,34 0,54 0,62 0,55 0,55
12 контроль 0,45 0,42 0,48 0,41 0,38
солома 0,23 0,24 0,37 0,40 0,46
солома+Ы 0,20 0,35 0,40 0,41 0,44
навоз 0,17 0,35 0,36 0,42 0,49
г Ошибка ±0,03.0,10
аммиачной селитры добавляли из расчета С^ - 40:1. В качестве контроля использовали почву без внесения органического вещества.
Смеси почвы с удобрениями увлажняли и компостировали в оптимальных условиях температуры (24...26 0С) и влажности (60 % ППВ). На протяжении 12 мес. изучали динамику выделения углекислого газа, после 3 и 12 мес. инкубации учитывали степень разложения соломы, через 3 и 6 мес. - содержание нитратного азота.
По окончании годичного цикла инкубации были определены изменения в содержании общего и подвижного гумуса, подвижного фосфора и обменного калия, азотфиксирующая способность почв, целлю-лазная и протеазная активность.
Важнейший критерий оценки плодородия почвы - её способность производить биомассу. С этой целью по окончании периода компостирования почв в лаборатории искусственного климата в вегетационных сосудах выращивали озимую пшеницу.
Повторность опыта трехкратная.
Результаты и обсуждение. Влияние используемых в опыте удобрений в виде соломы и навоза на весь комплекс почвенных свойств определяется их химической природой. Результаты анализа свидетельствуют, что химическую основу соломы составляет органический углерод, на долю которого приходится более 40 %. Однако содержание общего азота в ней ничтожно мало, вследствие чего отношение углерода к азоту достигает 128. Количество фосфора в соломе находится на уровне 0,07 %, среди зольных элементов заметно преобладает калий - 0,86 %.
Совершенно иной химический состав характерен для навоза. При втрое меньшем количестве органического углерода содержание азота здесь больше, чем в соломе, в 4 раза, фосфора - в 29, калия - в 2 и зольных элементов - в 12 раз, а отношение С^ составляет 11, то есть такое же, как и в гумусе почвы.
Кроме того, навоз, в отличие от соломы, обладает высокой биологической активностью и насыщенностью разнообразными группами микроорганизмов и потому
оказывает глубокое воздействие на процессы трансформации органического вещества сразу же после внесения в почву [4].
Изучение динамики минерализации внесенных органических удобрений (табл. 1) относительно контрольного варианта показало, что максимальная в опыте активизация процессов выделения углекислого газа почвой в среднем для всех вариантов достигается последовательно: в Апах через 1 мес. инкубации, в горизонтах В1 и В2 - через 2, в Вс и С - через 4.6 мес., что объясняется, на наш взгляд, известным снижением биогенности почвы с глубиной. По окончании этого периода скорость выделения СО2 становится практически постоянной, но количество его резко снижается.
Усредненные за первые полгода данные по интенсивности выделения углекислого газа генетическими горизонтами показали далеко не однородный характер разложения свежего органического вещества. Так, в двух верхних горизонтах (Апах и В1) наибольшие потери органического углерода отмечены в вариантах с соломой и навозом. Добавление же к соломе мине-
рального азота способствовало резкому снижению выделения СО2, что свидетельствует о большем закреплении органического углерода в почве.
В более глубоких генетических горизонтах (В2, Вс, С) самый высокий положительный эффект получен в варианте с внесением навоза. Интенсивность выделения двуокиси углерода в горизонтах Вс и С в контроле была в 2-3 раза выше, чем в горизонтах Апах, В1 и В2, что, возможно, объясняется значительным повышением содержания карбонатов в переходном к породе горизонте и в почвообразующей породе С.
Практически для всех генетических горизонтов выявлена следующая закономерность: внесение соломы с азотом в верхние слои и навоза в нижние способствует не только закреплению углерода разлагающегося органического субстрата, но и стабилизации углерод-содержащих веществ почвы.
Приведенные результаты дают основание предполагать, что для восстановления почв различной степени эродированности необходимо дифференцированно распределять имеющиеся в наличии органические удобрения: на слабоэродированных почвах наибольший эффект обеспечивает внесение соломы с компенсирующей дозой азота, а на сильноэродиро-ванных - целесообразнее вносить навоз.
Вследствие обнаруживавшихся различий необходимы и разные сроки внесения органических удобрений: чем больше степень эродированности, тем больше разлагаются удобрения.
Результаты проведенных опытов свидетельствуют о том, что без дополнительного внесения (контроль) трансформация органического вещества почвы имеет отчетливо выраженную направленность в сторону минерализации собственного гумуса, что подтверждается снижением его содержания во всех без исключения генетических горизонтах (табл. 2).
Таблица 2. влияние органических удобрений на содержание гумуса в генетических горизонтах почвы, %, (по тюрину)
Горизонт
Контроль
исходные \ спустя год
Солома
Солома+Ы
Навоз
пах
Сс
4,50±0,11 3,29±0,10 2,28±0,11 1,41±0,03 0,91±0,09
4,27±0,12 3,21 ±0,11 2,12±0,16 1,37±0,14 0,84±0,12
4,32 3,45 2,39 1,47 0,87
4,51 3,16 2,19 1,66 1,01
4,68 3,62 2,55 1,79 1,26
Интенсивность этого процесса была неодинаковой и зависела, по-видимому, от индивидуальных особенностей горизонтов. В целом убыль гумуса за годовой период инкубации не превысила 7 % (относительных). Между величинами показателей снижения содержания гумуса и выделения углекислого газа выявлена тесная корреляционная зависимость - коэффициент корреляции составляет 0,88.
Внесение в генетические горизонты почвы органических удобрений изменило направленность биохимических реакций в сторону гумусообразования. Как и следовало ожидать, самым действенным средством повышения органогенности генетических горизонтов оказался навоз, причем с глубиной его эффективность заметно возрастала: если в пахотном горизонте содержание гумуса увеличилось на 4 % (относительных), то в горизонте В1 - на 10, В2 - на 12, Вс - на 27 и С - на 38 %. Следовательно, коэффициенты гумификации в различных почвенных слоях значительно повышаются с глубиной.
При внесении соломы отдельно и с добавлением минерального азота содержание гумуса также воз-
растало, однако столь четких закономерностей, как в случае с навозом, не обнаружено, что, скорее всего, объясняется разнокачественностью применяемых удобрительных средств. В отличие от навоза солома, прежде чем стать источником гумуса, должна пройти длительный цикл сложных превращений, зависящих, от наличия и активности почвенной микробиоты.
При использовании соломы совместно с минеральным азотом в горизонтах Вс и С отмечено наибольшее гумусонакопление. По сравнению с исходным содержанием, оно составило 11.18 % (относительных). Заметное повышение содержания гумуса во всех генетических горизонтах прослеживается и в вариантах с чистой соломой.
Переход углерода органических удобрений в почвенный гумус так или иначе неминуемо связан с новообразованием гумусовых веществ или лабильной его части: органические удобрения усиливали процессы образования подвижного гумуса во всех генетических горизонтах и особенно с глубиной (метод М.А. Егорова).
Результаты оценки биологической активности генетических горизонтов почвы по показателям нитрогеназной и целлюлазной активности свидетельствуют, что органические удобрения усиливают азотфиксирующую способность почвы - поступление в неё биологического азота значительно увеличивается, по сравнению с контролем (табл. 3). При этом
Таблица 3. действие органических удобрений на нитрогеназную активность почвы, мкг Ы/кг почвы/ч
Горизонт Контроль Солома Солома+N Навоз
75±21 129±21 149±11 100±9
вах 12±8 24±7 19±6 55±11
В' 10±6 27±17 14±7 55±4
24±14 32±6 16±8 54±15
Сс 0 35±3 0 60±14
внесение навоза повысило азотфиксирующую способность всех подпахотных горизонтов, несмотря на очень высокое содержание нитратного азота (от 200 до 1260 мг N-N0^^ почвы) до уровня неудобренного пахотного слоя.
Использование соломы увеличивало нитрогеназную активность во всех горизонтах в 1,5-2,0 раза; добавление минерального азота снижало этот эффект.
Внесение органических удобрений стимулировало целлюлазную активность во всех генетических горизонтах, кроме Апах. В этом случае добавление к соломе минерального азота особой роли не играло, то есть решающим фактором было обогащение почвы энергетическим субстратом. Причем для горизонтов А , В и В не имело значения солома это или навоз.
пах' 1 2
И только в нижележащих слоях (Вс и С) эффект от навоза оказался выше, чем от соломы, в 2 раза, а по сравнению с соломой и азотом, в 3-4 раза.
Накопления аминокислот в контроле закономерно снижалось по генетическим горизонтам к почвообра-зующей породе. Внесение органических удобрений стимулировало этот процесс в горизонте Апах и особенно заметно в горизонтах Вс и С (в 2-4 раза).
В процессе изучения динамики содержания нитратного азота в генетических горизонтах чернозема обыкновенного было установлено, что если в неудобренных вариантах накопление N-N03 происходит скорее всего благодаря минерализации гумусовых веществ почвы (табл. 4), то внесение соломы без азота препятствует этому процессу и приводит к временной
иммобилизации минерального почвенного азота, содержание которого в горизонтах В1и В2 в течение трех и шести месяцев инкубации снижается в несколько раз. Закрепление нитратного азота продолжается до окончания периода разложения соломы, когда степень убыли ее массы достигает 70.98 %.
По истечении 12 мес. и дальнейшей трансформации органического вещества наблюдается освобождение минерального азота и поступление в почвенный раствор. Содержание его в горизонте Апах приближается к контролю, а в горизонтах В1 и В2 резко повышается, уступая, однако, неудобренным вариантам, что, на наш взгляд, объясняется более низкими темпами разложения соломы в таких условиях.
При добавлении к соломе азотных удобрений динамика нитратного азота складывается иначе. Внесенный азот используется микробиотой, которая разлагает солому и извлекает из нее энергию, в результате дефицита нитратных форм этого элемента в горизонтах не наблюдается на всем протяжении инкубации.
Наибольшее содержание нитратного азота по всем срокам и генетическим горизонтам отмечено при использовании навоза, поскольку в этом удобрении уже содержится около 900 мг/кг N-N03, а количество органического углерода едва достигает 15 %.
Помимо влияния на азотный режим внесение удобрений улучшает обеспеченность почвы фосфором и
калием (табл. 5).
При использовании навоза содержание Р205 в горизонте А увеличивается
пах
в 1,5 раза, В1 - в 1,8 раза, в остальныхтрех горизонтах -в 1,9 раза. Рост содержания К2О не столь велик, но и он ощутим - в 1,27-1,36 раза в горизонте Апах, в 1,37-1,46 раз в других горизонтах.
При выращивании озимой пшеницы в неудобренных вариантах резкое снижение количества биомассы наблюдалось, начиная с горизонта В1 и до горизонта С. По сравнению с пахотным слоем, оно составило 57, 64, 53 и 61 % соответственно.
Полноценное зерно в контроле сформировалось только на почве с горизонта А , а в остальных ва-
пах
Таблица 4. Динамика содержания нитратного азота, мг/кг почвы* (колориметрический метод с дисульфофеноловой кислотой) ГоризонтКонтролЬ Солома I Солома+Ы\ Навоз
пах
В
Сс
В
3 месяца инкубации
136 20 121 205
164 2 246 177
179 3 404 293
103 28 293 270 266 40 251 328
6 месяцев инкубации
37 28 107 112
32 2 61 95
30 2 75 109
51 23 113 111
29 19 127 145 12 месяцев инкубации
262 213 290 573
104 40 96 602 363 158 164 490 2839 835 1575 1584 603 1592 1580 981
*исходное содержание: в горизонте Ay - 6, В - 32, С - 45 мг/кг.
30, в1 - 23,
в
2
Таблица 5. влияние органических удобрений на обеспеченность почвенных горизонтов подвижным фосфором и обменным калием, мг/кг
Горизонт Вариант P O 2 5 K2O
исходное | конечное исходное | конечное
Anax контроль 35,0 35,0 222 222
солома 40,0 45,0 265 308
солома +Ы 46,0 57,0 267 312
навоз 71,0 107,0 349 476
В1 контроль 9,5 9,5 180 180
солома 8,3 7,1 217 254
солома +Ы 6,7 3,9 210 240
навоз 42,8 76,1 251 322
В2 контроль 6,0 6,0 166 166
солома 6,1 6,2 191 216
солома +Ы 5,5 6,0 181 196
навоз 49,3 91,6 231 296
Вс контроль 4,5 4,5 152 152
солома 5,0 5,5 180 208
солома +Ы 5,2 5,9 205 258
навоз 54,2 103,9 223 294
С контроль 4,5 4,5 144 144
солома 5,0 5,5 170 196
солома +Ы 3,7 2,9 152 160
навоз 56,5 108,5 197 250
риантах масса зерна была незначительной либо оно отсутствовало вовсе.
Органические удобрения оказали положительное влияние, как на биомассу пшеницы, так и на формирование зерна на почве всех горизонтов кроме пахотного. Наиболее эффективным средством повышения продуктивности культуры оказался навоз: биомасса растений увеличилась в 1,3-2,5 раза и по горизонтам (начиная с пахотного) составила 8,8; 7,5; 6,0; 7,6 и 4,5 г/сосуд, что значительно выше неудобренных вариантов (2,5...3,0 г). Зерно сформировалось на почве со всех горизонтов, его масса была равна соответственно 3,2; 2,8; 2,3; 2,8 и 1,7 г/сосуд.
Закономерности, установленные при использовании навоза, повторялись в вариантах с заделкой соломы, однако эффективность ее применения была
в среднем на 30 % ниже. Добавление азотных удобрений способствовало росту биологической продуктивности генетических горизонтов, которая, по сравнению с чистой соломой, оказалась в среднем на 19 % выше.
выводы. В результате проведенных исследований установлено, что в малогу-мусных и безгумусных горизонтах степень гумификации в 3-4 раза выше, чем в гумусных. Навоз и солома способствуют повышению органогенности чернозема на 4.. .38 % (относительных) от горизонтаА к С вместе
^ пах
с увеличением доли подвижного гумуса.
Биологическая активность генетических горизонтов под действием удобрений возрастает в 1,5-2,0 раза, содержание Р2О5 - в 1,5-1,9, К2О - в 1,27-1,36 раза, а N-N03 в горизонте Апах после годичной инкубации приближается к контролю, в горизонтах В1 и В2.оно также резко повышается.
Улучшение всех изученных параметров, составляющих в совокупности плодородие почвы, достоверно подтверждается ростом биомассы озимой пшеницы.
При восстановлении почв различной степени эродированности имеющиеся в наличии удобрения следует распределять дифференцированно: при слабой-средней степени смытости целесообразно вносить солому с азотом, при сильной и очень сильной - навоз.
Литература.
1. Воронкова Н.А. Значение приемов биологизации в регулировании гумусового режима чернозема выщелоченного. // Состояние и перспективы агрохимических исследований в географической сети опытов с удобрениями. Материалы Международной науч.-метод. конф. учреждений участников Геосети России и стран СНГ. - М, 2010. - С. 71-74
2. Муравин З.А. Агрохимия //Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений. - М.: «Колос С», 2010. -463 с.
3. Куприченков М.Т. Ферменты в почвах Предкавказья: монография. - Ставрополь: АГРУС, 2010. - 192 с.
4. Щербакова Т.А. Ферментативная активность почв и трансформация органического вещества. - Минск: Наука и техника, 1983. - 222с.
ViTALiTY REcuPERATioN MoDEL of THE ERoDED soiL M. T. Kuprichenkov, E.A. Menkina
summary. In the Stavropol Region the portion of soil erosion takes up to 30-40% as the item of expenditure in the balance records of the organic soil. To compensate for such losses, 12-14 millions of tons of manure is required on the yearly bases. However, there is a drastic shortage of this replenishing agent and therefore, a research of untraditional means is highly needed in the form of the tangential harvest production. Research has accounted for the evaluation of the organic fertilizers (such as manure and straw) with their introduction into the genetic horizons, which imitate soil of various levels of erosion and were shown in the modeled experiments consisting of the following 4 variations: control, straw, straw combined with manure and manure. It has been determined that given the introduction of fresh organics into the humus free kind, the factor of humus growth is 3 to 4 times higher than that in the humus horizons. During the control, mineralization of soil humus was observed within the limits of 7 relative percent, but with the injection of nutrients, the direction of biochemical reactions changed towards the growth of humus. Manure is the most effective means of increasing soil organics, and its potency increased with bigger depth. At the horizon A the humus contained grew by 4% relative, at B1 - by 10, B2 - by 12, Bc - by 27 and C - by 38%. Biological activity of genetic horizons also had a positive change: with addition of the manure, nitrogen fixating ability increased to the level of unfertilized A, but with the addition of straw the nitrogenous and cellulite one increased 1.5 to 2.0 times at all horizons. Introduction of organic fertilizers leads to the enrichment of the soil N-NO3, P205, K20: manure increases the content of P205 from 1.5 to 1.9 times, K20 from 1.27 to 1.36 times. The content of nitrates after 12 month of incubation in Anax is approaching that of the control, but at the horizon B1 u B2 it is increasing sharply.
The increase in fecundity of the genetic horizons under the influence of the introduced fertilizers is reliably proven by the level of produced biomass of the post winter wheat. Thus, given the disruption of the vertical wholesomeness of the soil on the weakly eroded black earths, a combination of straw and nitrogen is more effective and on the strongly eroded - manure.
Key words: erosion, humus, biological activity, nitrogen, mobile phosphorus, interchangeable potassium, straw, manure.
