CC BY
15
ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ПРИРОДНЫХ И АНТРОПОГЕННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ НА НАКОПЛЕНИЕ УГЛЕРОДА (И ДРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ РАСТЕНИЙ) В ПОЧВАХ СОВРЕМЕННОГО БОГАРНОГО И ОРОШАЕМОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ
© Шевцов Н.М.*
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,
г. Москва
Установлено, что комбинированная система обработки с внутрипоч-венным внесением удобрений на границу пахотного и подпахотного горизонтов и внутрипочвенное внесение жидких удобрений с хозяйственно-бытовыми сточными водами на глубину корнеобитаемого слоя почв, благотворно влияет на накопление углерода и других элементов минерального питания растений в богарном и орошаемом земледелии.
Ключевые слова: почвы; гумус; элементы минерального питания растений; системы обработки почв; способы внесения удобрений в богарном и орошаемом земледелии.
С исторической точки зрения в зарождении углерода на нашей планете различаются несколько периодов. До появления водной оболочки на раскаленной Земле, при интенсивном извержении вулканов, углерод входил в состав земной атмосферы в виде двуокиси углерода. Свободный кислород в атмосфере Земли к этому времени отсутствовал. С охлаждением земной коры выветривания и появления воды, насыщенной двуокисью углерода, в результате которой образовалась угольная кислота, начинается активный процесс выветривания магматических горных пород. На их месте постепенно образовались рыхлые отложения, а растворимые соли с водой увлекаются в мировой океан. Двуокись углерода, вода и, образовавшиеся соли, создали благоприятные предпосылки для возникновения и развития растительного мира. Таким образом в мировом океане зародилась жизнь, в результате фотохимического синтеза, как основного процесса жизнедеятельности растений, углерод из атмосферы переходит в состав живой растительной массы. Атмосфера постепенно меняется, так как в процессе фотохимического синтеза растений выделяют свободный кислород, который пополняет воздух атмосферы. Свободный кислород и накопленные органические вещества, в виде растительности, дают необходимые предпосылки для появления животного мира. С появлением растительного и животного мира в биосфере
* Ведущий научный сотрудник лаборатории химии почв, доктор биологических наук.
Земли круговорот углерода в основном замыкается. В действительности (по теории Ч. Дарвина и А.Р. Уоллеса) круговорот углерода в природе не простое движение, а поступательное, которое протекает по восходящей линии от простого к сложному, от низшего к высшему. Оно относится к круговороту всех других природных элементов (особенно к элементам минерального питания растений). Аналогичные процессы протекают и в природной почве, как и в любом другом живом организме. В почве всегда присутствуют углеводы, жиры, белки и т.д., которые поступают при отмирании живых организмов. Они легко разлагаются агентами окружающей среды и рецидирую-щимися организмами и поступают в их плазму. Трудноразлагающиеся сложные органические вещества (клетчатка, лигнин, дубильные вещества, смолы и т.д.) полностью не разрушаются. Они вовлекаются в живое вещество почвы. В результате этого процесса в почве, под действием микроорганизмов, влаги, атмосферного кислорода и естественно других агентов среды обитания, образуются сложные органические и органоминеральные соединения циклического характера, богатые элементами минерального питания растений. Мы их называем гумусом. Гумус - сложный, природный полимер плодородия. Единственный в своем роде богатый источник связанных элементов минерального питания растений на нашей планете. В почве он образуется (в результате природных анаболических процессов) из продуктов разложения органических остатков. После его разложения агентами окружающей среды и почвенными организмами, он из связанной органической формы переходят в доступную для растений окисленную минеральную форму. Поэтому почвы, богатые гумусом, (особенно сладкими гуминовыми кислотами) обладают высоким плодородием. По теории гумификации И.В. Тюрина [1] и теории химического строения А.М. Бутлерова, высокомолекулярные органические соединения под действием кислорода воздуха, оксидаз и минеральных катализаторов, подвергаются полимеризации и конденсации вторичных высокомолекулярных продуктов (белков, лигнинов, смол, дубильных веществ и др.), имеющих циклическое строение и превращаются в сложные гумусовые вещества, устойчивые к процессам разложения почвенными микроорганизмами. На это указывает американский химик Л. По-линг, который считает ароматические углеводороды промежуточными продуктами, полученными в результате реакций поликонденсации. Они устойчивы к нагреванию, действию воды, щелочей и кислот, хорошо склеивают частицы самой различной природы, сохраняя при этом высокую прочность. Такие биохимические процессы характерны для генезиса почв черноземного типа, где их структурные отдельности хорошо пропитаны и склеены высокомолекулярными гумусовыми кислотами в водопрочные агрегаты. Сложным ароматическим углеводородам характерны реакции нитрования, в результате которых по теории Н.Н. Зинина образуются сложные нитробензольные соединения, насыщенные углеродом, азотом, кислородом и другими био-
генными элементами. Эти соединения характерны для гумусовых кислот. Специфические почвенные микроорганизмы совместно с природными агентами, разлагают эти соединения в почве и освобождают связанный органический углерод, кислород, водород, азот, серу и другие элементы. При этом превращают азот в минеральные окисленные формы (аммиачные и нитратные), углерод в углекислый газ, кислород и водород в воду и т.д. В результате они становятся доступны растениям. В состав гумуса входят гуминовая кислота (ее называют сладкой кислотой) и фульвокислота (ее называют кислой агрессивной кислотой), а также гуматы, которые прочно связаны с минеральной частью почвы. Гуминовая кислота является хранительницей плодородия почв из-за огромного содержания в ней углерода, азота, кислорода, серы и других элементов минерального питания растений. Они входят в структуру кислоты и прочно удерживаются в ней. Фульвокислота наоборот содержит в своей структуре значительно меньшее количество вышеуказанных элементов, и они более подвижны. В почве, в процессе биохимических реакций из этой кислоты они свободно выщелачиваются и теряются. Поэтому к нежнейшему гумусовуму чуду природы необходимо относится бережно, накапливать и не подвергать эрозии, разрушению, выщелачиванию и т.д.
В природных условиях различных экосистем изменения гумусовых кислот в почвах может происходить под действием климата, растительности, живых организмов, подстилающих материнских пород и особенно хозяйственной деятельности человека. В кислых, малоплодородных почвах, при искусственном внесении навоза, извести, минеральных удобрений и других ингредиентов, гумусовые кислоты и основания закрепляются в обменном фонде ППК почв и обогащаются гуминовой кислотой. В результате почвы становятся более плодородными: теряют свою кислотность и обогащаются основаниями и элементами минерального питания. То есть, становятся гомогенными по уровню плодородия. Диапазон выращиваемых культурных растений в этой почве расширяется. При интенсивных системах обработки, орошении и осушении почв гумусовые кислоты начинают активно окисляться, минерализоваться. В результате происходит их активная перестройка, часть из которых делается подвижной. Такие процессы мы наблюдаем в экстенсивном земледелии при длительной ежегодной отвальной системе обработки черноземов с интенсивными зернопропашными севооборотами и при длительном их орошении [2-4].
Любая почва является природным продуктом взаимодействия гипергенного слоя земной коры выветривания с окружающей средой обитания. Например, чернозем образовался в умеренно теплой и влажной экосистеме и его плодородие обеспечивается в основном степной злаковой травяной растительностью, к которой, по теории Ч. Дарвина, она приспособилась за длительный естественноисторический период. Дерново-подзолистая почва сформировалась в умеренно холодном и дождливом климате с таежно-лес-
ной растительностью. Эта растительность, даже в благоприятных почвенных условиях степной зоны, если ее перенести в условия с умеренно-жарким сухим климатом, без особых мелиоративных мероприятий по уходу за ней, не произрастает. Аналогичным образом чувствуют себя и культурные растения (особенно зерновые, бобовые, пропашные и другие), которые генетически произошли в основном в южных и юго-восточных экосистемах, на богатых по плодородию почвах. Землепашцем они искусственно перенесены в условия, например, Нечерноземной зоны. Для них необходимо создавать специфические почвенные условия (как и ранее природа создавала для их предков) - слабокислую или нейтральную почвенную среду, наличие глубокого гомогенного по плодородию корнеобитаемого горизонта с высоким содержанием гумуса, поглощенных оснований и элементов минерального питания в обменном фонде ППК почв, а также поддерживать определенный тепловой, водный, пищевой и биологический режимы в почве. Исходя из этих предпосылок, нами решалась проблема накопления гумуса и элементов минерального питания растений, как одного из основных агротехнических мероприятий воспроизводства плодородия и подъема производительности почв.
Особенностью углерода является склонность его атомов к особо прочному сцеплению друг с другом, образуя разнообразные линейные цепочки и замкнутые кольца с одинарными, двойными и тройными связями. Накоплению атомов углерода в углеводородных молекулах, по теории Д.И. Менделеева, нет предела. С кислородом он легко соединяется, образуя летучие соединения двуокиси углерода. В почве беспрерывно идет минерализация (окисление) растительных и животных остатков. Воздух, заполняющий поры почвы, гораздо богаче двуокисью углерода, чем обыкновенный атмосферный воздух. Растения, как мы выяснили выше, питаются через корни и листья приземной почвенной двуокисью углерода и окисленными минеральными соединениями (солями, которые растворены в почвенной воде и которые содержатся в продуктах разложения гумуса и самой почве). Благотворное физиологическое действие двуокиси углерода на культурные растения доказал еще в 1872 году польский ботаник А.Я. Годлевский. По его мнению рост растений лимитирует двуокись углерода. Накопление органического вещества в растении нарастает пропорционально увеличению содержания двуокиси углерода в приземном воздухе, пока она не достигнет 1 %. Затем процесс замедляется, пока содержание двуокиси углерода не достигнет 3 %. Дальнейшее ее нарастание нежелательно. Поэтому газообразные удобрения применяют лишь в парниках и теплицах с водными культурами. В естественных условиях почвы богатые гумусом (и естественно угольной кислотой), особенно гуминовыми кислотами, считаются плодородными. Еще в 18 веке шведский физиолог Н. Соссюр из гумуса выделил углерод, азот, фосфор, серу, кислород, и другие элементы, доказав тем самым, что именно ими пи-
таются растения. Наш выдающийся русский ученый М.В. Ломоносов доказал, что гумус происхождения не минерального, а из двух прочих царств натуры, животного и растительного. А почва, по его мнению, не первообразная и не первозданная материя, а тело из горных скал ветром и натуральным царством животных и растений образованное. Таким образом, верхний гу-мусово-аккумулятивный слой почвы не зря называют «хлебным слоем». В нем, благодаря агентам окружающей среды, одни минералы превращаются в другие, накапливаются элементы минерального питания растений, а солнечная энергия накапливается в органическом веществе. В результате переработки мертвых остатков растений и животных они превращаются в гумус, зольные элементы, воздух, газы, воду и т.д. В этом и заключается тесная взаимосвязь этого слоя с другими царствами. В первую очередь с космическим царством солнечного света и метеорных веществ, царством атмосферного воздуха, царством воды, царством минералов гипергенного слоя земной коры выветривания, а также царством растений и животных, в том числе агротехнических мероприятий, разработанных Homo sapiens, которые способствуют перераспределению накопленного уровня плодородия по профилю этого слоя. Наша задача заключается в том, чтобы уберечь эту хрупкую «пленку жизни» от буйных природных и антропогенных стихий, сохранить ее плодородие и преумножить для будущих поколений.
Рассмотрим экспериментальные данные, полученные в различных природных зонах нашей страны, по накоплению гумуса и других биогенных веществ в почвах с различными системами их обработки, способами приготовления и внесения удобрений, орошения и т.д. Длительная (от 12 до 100 лет) ежегодная отвальная система обработки типичного мощного чернозема в зерносвекловичном севообороте показала [2], что при 12-летнем использовании чернозема потери гумуса из пахотного (0-25 см) горизонта составили незначительную величину, всего 3,7 %, а при 37-летнем использовании -8,7 % от исходной почвы. И, только при 52 и 100-летем использовании чернозема при аналогичной системе обработки потери гумуса из пахотного горизонта составили существенную величину от 27 до 32 % от исходной почвы и достигло от 30 до 50 т/га от запасов гумуса пахотного горизонта, табл. 1. Таким образом ежегодно эти потери составили в среднем 0,6 т/га, что составляет всего 0,4 % от исходной почвы (при наличии в нем более 200 т/га запасов гумуса). В периодической печати приводятся невероятные данные, в несколько раз превышающие эту величину. Для корнеобитаемого (0-35 см) слоя потери гумуса уже значительно ниже, особенно для 12 и 37-летнего использования чернозема. И практически затухают для 0-60 см слоя. Аналогичная картина наблюдается при длительном 52 и 100-летнем использовании чернозема, где потери гумуса в нижележащих слоях почвы затухают. Например, для 0-150 см слоя эта доля гумуса снижается до 19 %. В среднем за 100-летний период эксплуатации чернозема при ежегодной отвальной сис-
теме обработки потери гумуса для 0-150 см слоя составили всего 9,3 %. Эти уникальные данные указывают на то, что почва (как живой организм) обладает способностью сопротивления разрушению и самосохранения не только гумуса, азота и естественно других элементов минерального питания растений, но и самого сохранения плодородного слоя [1-4]. Зерновые и пропашные культуры севооборота при ежегодной отвальной системе обработки чернозема использовали углерод, азот и другие элементы в основном из пахотного горизонта в первые годы ее земледельческого использования. При длительной 52 и 100-летний эксплуатации чернозема эти же культуры севооборота использовали углерод, азот и другие элементы из нижележащего 0-60 см слоя почвы. Таким образом, приведенные нами данные показывали, что есть несомненная необходимость пополнять эти слои почвы органическим веществом и элементами минерального питания, за счет внесения в почву удобрений.
Таблица 1
Влияние длительной отвальной системы обработки (в зерносвекловичном севообороте) на перераспределение, дифференциацию и потери гумуса по профилю типичного мощного чернозема (по А.М. Гринченко и др.)
Слой почвы, см Варианты* опвтта
1 2 3 4 5 средняя
гумус, % % к контролю гумус, % % к контролю гумус, % % к контролю гумус, % % к контролю гумус, % % к контролю гумус, % % к контролю
Перераспределение гумуса по прос млю почвы
0-12 9,4 100,0 7,8 82,9 7,3 77,6 5,9 62,7 5,5 58,5 6,6 70,2
12-25 6,6 100,0 7,5 113,6 7,2 109,1 5,7 86,4 5,3 80,3 6,4 96,9
25-35 5,9 100,0 6,2 105,1 5,8 98,3 5,2 88,1 5,2 88,1 5,6 94,9
35-60 3,8 100,0 4,5 118,4 4,5 118,4 4,1 107,9 4,2 110,5 4,3 113,2
60-150 1,3 100,0 1,5 115,4 1,4 107,7 1,7 130,8 1,4 107,7 1,5 115,4
0-150 5,4 100,0 5,5 101,9 5,3 98,2 4,5 83,3 4,3 79,6 4,9 90,7
Дифференциация профиля пахотного и корнеобитаемого горизонтов по уровню плодо родия
0-12 12-25 1,42 1,04 1,01 1,03 1,03 1,03
0-25 25-35 1,36 1,23 1,25 1,12 1,04 1,16
0-25 25-60 1,65 1,43 1,41 1,25 1,15 1,31
Потери гумуса (в % к контролю) по профилю почвы
0-25 0 -3,7 -8,7 -27,5 -32,5 -18,7
0-35 0 -1,4 -6,3 -23,3 -27,0 -18,1
0-60 0 +1,6 -3,1 -18,7 -20,3 -10,9
0-150 0 +1,9 -1,8 -16,7 -19,4 -9,3
Средний показатель (в % к контролю) плодородия пахотного и корнеобитаемого горизонтов почвы
0-25 100,0 96,3 91,3 72,5 67,5 81,3
0-60 100,0 101,6 96,9 81,3 79,7 89,1
Примечание: * 1 - исходная (необработанная) почва (контроль); 2-12 лет отвальной системы обработки; 3-37 лет отвальной системы обработки; 4-52 года отвальной системы обработки; 5-100 лет отвальной системы обработки.
Послойная дифференциация чернозема (по гумусу) при длительной его отвальной системе обработки подтверждает разрушение и деградацию поч-
вы, в результате которой происходит частичное перераспределение гумуса в пахотном горизонте и его разрушение и использование микроорганизмами и культурными растениями, особенно при длительной ежегодной отвальной системе с экстенсивной эксплуатацией чернозема. Пахотный горизонт становится практически гомогенным по гумусу и естественно по другим элементам минерального питания растений (мы преднамеренно не приводим здесь данные по азоту и другим элементам минерального питания растений, так как они зеркально повторяют те же закономерности, что и углерод). Зерновые и, особенно, пропашные культуры севооборота используют углерод (естественные и другие элементы минерального питания) в основном из пахотного горизонта почвы в первые годы ее эксплуатации. А при более интенсивном использовании почвы в течении длительного времени, без удобрений, эти же растения поглощают минеральный углерод из нижележащих слоев, в основном из 0-60 см слоя. Таким образом, при интенсивном земледельческом использовании пашни (при ежегодной отвальной системе обработки с требовательными к питанию зернопропашными культурами) она постепенно истощается. Поэтому необходимо вносить удобрения, особенно в истощенную нижнюю часть пахотного и верхнюю часть подпахотного горизонтов, с целью поднятия производительности почвы и стабилизации ее плодородия по всему корнеобитаемому горизонту.
Данные, полученные на южном карбонатном черноземе степной зоны Казахстана Почвенным институтом этой республики [5] раскрывают следующую закономерность в почве (табл. 2), которую следует учитывать. Например, при различных системах обработки, перераспределение гумуса и естественно других элементов минерального питания по профилю пахотного (и корнеобитаемого) горизонта почвы происходит неоднозначно. При отвальной системе обработки на глубину 25 см, верхний пласт пахотного горизонта (насыщенный гумусом и окисленными минеральными и органическими соединениями) заделывается внутрипочвенным способом на границу пахотного (14-22 см) и подпахотного горизонтов, где его питательные элементы используются культурами севооборота. На это указывает коэффициент дифференциации, который равен 0,90 относительным единицам. То есть, пахотный горизонт становится практически гомогенным по уровню плодородия по сравнению с контрольной природной почвой, где этот же коэффициент равен 1,43 относительным единицам. При глубокой безотвальной системе обработки по методу Т. С. Мальцева на глубину 40 см, перераспределение гумуса и вышеуказанных элементов по тому же корнеобитае-мому горизонту почвы происходит довольно слабо, с небольшим накоплением гумуса в слоях 14-22 и 22-30 см. Поэтому коэффициент дифференциации уменьшается по сравнению с контрольной почвой незначительно и составляет 1,20, что указывает на гетерогенное строение пахотного горизонта по уровню плодородия. А при мелкой безотвальной системе обработки на
глубину 8-10 см, перераспределение гумуса по этому же корнеобитаемому горизонту практически не наблюдается и не затрагивает ни один из вышеназванных слоев. Коэффициент дифференциации в этом варианте составляет 1,42 (аналогичный контролю), что указывает на гетерогенное строение пахотного горизонта по уровню плодородия. Если сравнивать данные по накоплению гумуса в пахотном (0-22 см) горизонте, то потерь гумуса при отвальной системе обработки с полным оборотом пласта по сравнению с контролем практически не наблюдается. Наоборот, при этой обработке содержание гумуса и естественно других элементов минерального питания увеличилось на 2,8 % в пахотном и на 2,7 % в подпахотном горизонтах и в целом во всем корнеобитаемом горизонте - на 2,2 %. При глубокой безотвальной системе обработки, наоборот, в пахотном горизонте происходит незначительная потеря (на 1,1 %) запасов гумуса, а в корнеобитаемом горизонте запасы гумуса остаются на уровне контроля. И, при мелкой безотвальной системе обработки запасы гумуса по всему профилю корнеобитаемого горизонта снижаются. Аналогичным образом эти изменения в почве зеркально отразились на производительности самой почвы при выращивании зерновых культур в севообороте [5]. Если взять производительность почвы (выраженную в %) при отвальной системе обработки за 100 %, то при глубокой безотвальной системе обработки она снизилась на 13,6 %, а при мелкой безотвальной системе обработки она снизилась еще больше - на 23,5 %. Полученные данные указывают, что плодородие и производительность почв (зеркально отражают друг друга), а также урожайность сельскохозяйственных культур зависят во многом от систем обработки и перераспределения гумуса и других элементов минерального питания по профилю почв.
При интенсивном использовании почв в культуре современного земледелия с биологическим урожаем (по теории Ю. Любиха) отчуждается огромное количество органики и элементов минерального питания растений, в результате происходит дегумификация почв и потери элементов минерального питания, уничтожается полезная почвенная фауна и флора, разрушается агрономическая ценная структура, что в конечном итоге приводит к падению уровня плодородия почв и их деградации. С другой стороны, природные свойства многих почв нельзя считать удовлетворительными для получения высокого и качественного урожая сельскохозяйственных культур. Такие почвы нуждаются в окультуривании: оптимизации агрофизических, агрохимических и агробиологических показателей пахотного (и корнеобитаемого) горизонта, при значительном увеличении мощности плодородного слоя, что особенно актуально для большинства почв Нечерноземной зоны. Однако, практические мероприятия осуществляемые в этом плане очень трудоемки и дорогостоящи [6]. Некоторыми исследователями предпринимались попытки коренным образом и на длительный срок улучшить свойства пахотного и подпахотного горизонтов путем перестановки слоев и целых
горизонтов, глубокой мелиоративной вспашки, внесением в пахотный и подпахотный горизонты удобрений и химических мелиорантов и т.д. Эти попытки не нашли широкого применения в практике современных систем земледелия, поскольку они не были экономичны и не устраняли на длительный срок резистентность почв и дифференциацию пахотного и подпахотного горизонтов почв по уровню плодородия.
Таблица 2
Влияние различных систем обработки на перераспределение, дифференциацию и потери гумуса по профилю южного карбонатного чернозема (по В. А. Францессону)
Слой почвы, см Варианты* опыта
1 2 3 4
гумус, % % к контролю гумус, % % к контролю гумус, % % к контролю гумус, % % к контролю
Перераспределение гумуса по профилю почвы
0-7 4,52 100,0 3,39 75,0 4,02 88,9 4,42 97,8
7-14 3,48 100,0 3,56 102,3 3,55 102,0 3,60 103,4
14-22 2,86 100,0 4,20 146,9 3,16 110,5 2,61 91,3
22-30 2,63 100,0 2,69 102,3 2,84 108,0 2,59 98,5
30-40 2,40 100,0 2,40 100,0 2,45 102,1 2,40 100,0
0-40 3,18 100,0 3,25 102,2 3,20 100,6 3,12 98,1
Дифференциация южного карбонатного чернозема по гумусу
0-7 7-22 1,43 0,90 1,20 1,42
0-22 22-30 1,38 1,38 1,26 1,37
0-22 22-40 1,44 1,46 1,35 1,42
Потери гумуса (в % к контролю) по профилю почвы
0-22 0 +2,8 -1,1 -2,2
0-30 0 +2,7 +0,6 -1,8
0-40 0 +2,2 +0,6 -1,9
Средний показатель (в % к контролю) плодородия пахотного и корнеобитаемого горизонтов почвы
0-22 100,0 102,8 98,9 97,8
0-40 100,0 102,2 100,6 98,1
Средний показатель производительности почвы
0-40 | - | 100,0 | 86,4 | 76,5
Примечание: * 1 - исходная (необработанная) почва (контроль); 2 - отвальная система обработки; 3 - глубокая безотвальная система обработки по Т. С. Мальцеву; 4 - мелкая безотвальная система обработки.
С учетом мирового опыта земледелия, для окультирования «выпаханных» почв и устранения на длительный период их природной резистентности, дифференциации, деградации и дегумификации пахотного и подпахотного горизонтов нами были разработаны теоретическая концепция [7], комбинированная система обработки почв [8], органо-минеральная система (ОМС) удобрений [9], внутрипочвенный способ внесения удобрений [10] и методы диагностики деградации, воспроизводства и наращивания плодоро-
дия почв [11]. В результате применения этих разработок вышеуказанные горизонты были обеспечены доступными для растений зольными элементами, гумусом и связанным азотом. Они позволяли погасить избыточную кислотность (или щелочность) в обменном фонде ППК, усилить гумификацию и снизить минерализацию органических удобрений [7-11]. Такие радикальные изменения в обрабатываемых почвах соответствуют оптимальным условиям успешного роста и развития сельскохозяйственных культур, а также воспроизводства плодородия и увеличения производительности почв.
Опыты проведенные нами [7-11] на серых лесных почвах с различными системами обработки и способами внесения удобрений (табл. 3) показали, что при традиционной системе обработки (принятой в Нечерноземной зоне за основную систему обработки) почвы на глубину 20 см с постановкой пласта на ребро и с поверхностным способом внесения ОМС в пахотный горизонт, перераспределение гумуса и других элементов минерального питания растений по профилю пахотного горизонта было неравномерным, на что указывает коэффициент дифференциации пахотного горизонта, который был равен 1,08 и который был значительно выше этого же показателя на контроле. При традиционной системе обработки на глубину 30 см (с той же постановкой пласта на ребро) картина мало чем изменилась. Коэффициент дифференциации для пахотного горизонта остался на уровне контроля и составил 1,05. А для 0-30 см слоя он чуть изменился и стал 1,27 и был близок к контролю 1,30. При комбинированной системе обработки с внутрипочвен-ным способом внесения ОМС на границу пахотного и подпахотного горизонтов накопление гумуса, как и положено при этой обработке, увеличилось в слое 20-30 см. На что указывает коэффициент дифференциации, который стал для пахотного горизонта близок к 1 и составил 1,02. То есть, пахотный горизонт по уровню плодородия стал гомогенным, а корнеобитаемый (0-30) слой соответственно улучшился по сравнению с контролем и стал приближаться к гомогенному. Аналогичным образом изменялся и средний показатель плодородия (по всем физико-химическим свойствам данной почвы), который при традиционной системе обработки на глубину 20 см составил 104,7 % от контроля. При той же обработке на глубину 30 см он составил 106,1 %. Значительно выше он был для комбинированной системы обработки с внутрипочвенным внесением ОМС. Он вырос до 109,8 % и зеркально отражал величину среднего показателя производительности серой лесной почвы при различных системах ее обработки и способах внесения удобрений. Если при традиционной системе обработки на глубину 20 см он достигал 106,0 %, а при той же обработке на глубину 30 см он увеличивался незначительно, то при комбинированной системе обработки на глубину 30 см этот же показатель увеличился в 2-3 раза по сравнению с вышеуказанными системами обработки и составила уже 118,7 %.
Таблица 3
Влияние различных систем обработки и способов внесения удобрений (в зернотравяном севообороте) на перераспределение, дифференциацию и наращивание гумуса по профилю серой лесной почвы (по П.А. Солдатову)
Слой почвы, см Варианты* опыта
1 2 3 4
гумус, % % к контролю гумус, % % к контролю гумус, % % к контролю гумус, % % к контролю
Перераспределение гумуса по профилю почвы
0-10 3,26 100,0 3,42 104,9 3,43 105,9 3,38 103,7
10-20 3,11 100,0 3,17 101,9 3,28 105,5 3,31 106,4
20-30 2,46 100,0 2,58 104,9 2,65 107,7 3,00 122,0
0-30 2,94 100,0 3,05 103,7 3,12 106,1 3,23 109,9
Дифференциация серой лесной почвы
0-10 10-20 1,05 1,08 1,05 1,02
0-20 20-30 1,30 1,28 1,27 1,11
Наращивание гумуса (в % от контроля) по профилю почвы
0-20 0 +3,4 +5,3 +5,0
0-30 0 +3,7 +6,1 +9,9
Средний показатель плодородия почвы
0-30 | 100,0 | 104,7 | 106,1 | 109,8
Средний показатель производительности почвы
0-30 | 100,0 | 106,0 | 109,0 | 118,7
Примечание: * 1 - контроль, традиционная система обработки почвы на глубину 20 см (принятая в зоне) на фоне №0Р60К60 с известкованием по 1 г. к. на всех вариантах опыта; 2 -традиционная система обработки на глубину 20 см с поверхностным внесением ОМС; 3 - традиционная система обработки на глубину 30 см с поверхностным внесением ОМС; 4 - комбинированная система обработки на глубину 30 см с внутрипочвенным внесением ОМС на границу пахотного и подпахотного горизонтов.
Наши исследования продолжились на дерново-подзолистых почвах, табл. 4. Мы углубили исследования по сравнению с опытами на серых лесных почвах, дополнив их различными приемами по приготовлению удобрений, с использованием различных систем обработки почв и способов их внесения на разную глубину пахотного и подпахотного горизонтов, с целью ликвидации природной резистентности и дифференциации почв по уровню плодородия, а также увеличения гумуса и других элементов минерального питания, улучшения физико-химических, водно-физических и биологических свойств, а также подъема производительности самих почв [9-10]. При комбинированной системе обработки нами впервые были проведены исследования по влиянию соединений, состоящих из извести, гомогенизированной с «земляными» удобрениями верхнего слоя, насыщенного гумусом и элементами минерального питания, которые вносились внутрипочвенным способом один раз в севообороте, не в поверхностный слой пахотного горизонта (как это принято в культуре современного земледелия), а в подпахотный горизонт на глубину 30-45 см. Этот неблагоприятный слой в природ-
ных условиях остро нуждается в извести и дополнительных элементах минерального питания не только в самой почве, с ее живыми организмами, но и произрастающими сельскохозяйственными культурами. В природных условиях таежной экосистемы дерново-подзолистые почвы в этом горизонте имеют неудовлетворительные физико-химические, водно-физические и биологические свойства: высокую кислотность, довольно слабую насыщенность обменного фонда ППК основаниями кальция, магния и калия, низкое содержание гумуса и азота, а также других элементов минерального питания, низкую биологическую активность и т.д. Кроме этого нами впервые были проведены исследования с использованием органоминеральных соединений (ОМС), которые вносили на разную глубину пахотного и подпахотного горизонтов (сравнивая с внесением ОМС при традиционной системе обработки, повсеместно применяемой в современной культуре земледелия) при комбинированной системе обработки почв, с целью ликвидации в вышеуказанных горизонтах негативных процессов, влияющих на повышение гумусобразова-ния и улучшения других физико-химических свойств, а также подъема плодородия и производительности почв, оказывающих положительное влияние на рост и развитие выращиваемых культур в севооборотах, табл. 4.
Таблица 4
Влияние различных систем обработки и способов внесения удобрений (в зернотравяном севообороте) на перераспределение, дифференциацию и наращивание гумуса по профилю дерново-подзолистой почвы (по Н.М. Шевцову)
Слой почвы, см Варианты* опвгта
1 2 3 4 5 6
гумус, % % к контролю гумус, % % к контролю гумус, % % к контролю гумус, % % к контролю гумус, % % к контролю гумус, % % к контролю
Перераспределение гумуса по профилю почвы
0-18 2,19 100,0 2,22 101,4 2,47 112,8 2,20 100,5 2,11 96,3 2,09 95,4
18-27 1,97 100,0 2,08 105,6 2,39 121,3 2,20 111,7 1,93 98,0 2,05 104,1
27-36 0,53 100,0 0,76 143,4 0,52 98,1 1,38 260,4 1,63 307,5 1,28 241,5
36-45 0,48 100,0 0,51 106,3 0,42 87,5 0,54 112,5 0,64 133,3 0,79 164,6
0-45 1,29 100,0 1,39 107,8 1,45 112,4 1,58 122,5 1,58 122,5 1,56 120,9
Дифференциация почвы по гумусу
0-18 18-27 1,11 3,36 1,03 1,00 1,09 1,02
0-27 27-36 3,92 2,83 4,67 1,59 1,24 1,62
0-27 27-45 4,08 3,36 5,17 2,29 1,77 1,99
Наращивание гумуса (в % от контроля) по профилю почвы
0-27 0 +3,4 +16,8 +5,8 -2,9 -0,5
0-36 0 +8,3 +14,7 +23,7 +21,2 +16,0
0-45 0 +7,8 +12,4 +22,5 +22,5 +20,9
Средний показатель плодородия почвы, %
0-45 | 100,0 | 109,6 | 108,9 | 114,4 | 119,0 | 119,2
Средний показатель производительности почвы, %
0-45 | 100,0 | 107,1 | 110,1 | 119,3 | 120,3 | 112,1
Примечание: * 1 - контроль, традиционная система обработки почвы (принятая в зоне) на фоне №0Р60К60 с известкованием по 1 г. к. на всех вариантах опыта; 2 - комбинированная сис-
тема обработки с известкованием (30-45 см) слоя подпахотного горизонта; 3 - традиционная система обработки с поверхностным внесением ОМС в пахотный горизонт; 4 - комбинированная система обработки (предложенная нами для внедрения) с внутрипочвенным внесением ОМС в 25-30 см слой пахотного горизонта; 5 - комбинированная система обработки с внутрипоч-венным внесением ОМС в 30-36 см слой подпахотного горизонта; 6 - комбинированная система обработки с внутрипочвенным внесением ОМС в 36-45 см слой подпахотного горизонта.
На тщательно заложенном опыте [8] дерново-подзолистой почвы ОМС вносились: в пахотный горизонт при традиционной системе обработки почв, применяемой в зоне (вар. 3); в нижний слой (25-30 см) пахотного горизонта внутрипочвенным способом при комбинированной системе обработки (вар. 4); в верхний слой (30-36 см) подпахотного горизонта (вар. 5) и нижний слой (36-45 см) подпахотного горизонта (вар. 6) при той же комбинированной обработке. Для полной ликвидации неблагоприятных физико-химических свойств (особенно в обменном фонде ППК дерново-подзолистой почвы) в подпахотном горизонте, нами впервые был заложен вариант 2, где мы вносили специально приготовленные соединения, состоящие из «земляных» удобрений и извести. Контролем служила почва на фоне М60Р60К60 с известью, произвесткованной по полной гидролитической кислотности и внесенной в верхний слой пахотного горизонта почвы под культиватор (вар. 1). Следует указать, что фон на всех вариантах опыта был одинаков. Внесенная известь с «земляными» удобрениями внутрипочвенным способом на глубину 30-45 см слоя (вар. 2) при комбинированной системе обработки значительно улучшила обменный фонд ППК и выровняла дифференциацию пахотного слоя (1,06) по уровню плодородия, а в подпахотном 0-36 см слое она снизилась по сравнению с контролем на 27,8 % и в 0-45 см слое соответственно на 17,7 %. Содержание гумуса, а значит и других элементов минерального питания значительно увеличилось по профилю почвы и выровнялось. Поэтому средний показатель плодородия дерново-подзолистой почвы в этом варианте увеличился на 9,6 %, а средний показатель производительности почвы соответственно на 7,1 % по сравнению с контролем. Аналогичные изменения произошли при традиционной системе обработки почвы с поверхностным внесением ОМС в пахотный горизонт. Его дифференциация снизилась до 1,03, а в нижележащих подпахотных горизонтах она наоборот значительно увеличилась. Средний показатель плодородия почвы достиг 8,9 %, а производительность почвы зеркально увеличилась на 10,1 %. При целенаправленном внутрипочвенном внесении ОМС в нижний слой пахотного горизонта (вар. 4) при комбинированной системе обработки дифференциация пахотного горизонта приблизилась к 1, что указывает на гомогенность этого горизонта по уровню плодородия. При аналогичной системе обработки с внутрипочвенным внесением ОМС в верхний слой подпахотного горизонта (вар. 5) дифференциация этого слоя снизилась почти на 70 % и стала 1,24, а при внесении ОМС в нижний слой подпахотного горизонта (вар. 6) она снизилась на 51,4 % и стала 1,99 по сравнению с контролем (1,08).
Аналогичным образом происходит наращивание гумуса в дерново-подзо-литой почве, ее средний показатель плодородия увеличивается до 119,0 % при внутрипочвенном внесении ОМС в верхний слой подпахотного горизонта, а при том же внесении на глубину (36-45 см) он составляет 119,2 %, при этом производительность почвы зеркально отражается и составляет для варианта 5 соответственно 120,3 % и варианта 6 снижается до 112,1 %.
Таблица 5
Влияние длительного поверхностного орошения хозяйственно-бытовыми стоками на перераспределение, дифференциацию и прирост гумуса дерново-подзолистой почвы (по Н.М. Шевцову)
Слой почвы, см Неорошаемая почва (контроль) Орошаемая почва
Содержание гумуса, % | % к контролю Содержание гумуса, % | % к контролю
Перераспределение гумуса по п] эофилю почвы
0-20 1,53 100,0 1,88 122,9
20-40 0,82 100,0 0,89 108,5
40-60 0,43 100,0 0,44 102,3
0-60 0,93 100,0 1,07 115,1
Дифференциация (по гумусу) профиля почвы по уровню плодородия
0-20 20-40 1,87 2,11
0-20 20-60 2,43 2,81
Прирост гумуса (в % от контроля) по профилю пахотного и корнеобитаемого горизонтов почвы
0-20 0 +22,9
20-60 0 +6,3
Средний показатель (в % к контролю) плодородия пахотного и корнеобитаемого горизонтов почвы
0-20 100,0 123,9
0-60 100,0 118,9
Средний показатель (в % к контролю) производительности почвы
- | 100,0 | 127,0
В опытах на южном карбонатном черноземе Алтайского края при длительном (от 10 лет до более 50 лет) поверхностном орошении ухудшились не только агрофизические, но и агрохимические и биологические свойства пахотного (0-30 см) и корнеобитаемого (0-60 см) горизонтов. Содержание гумуса на неорошаемой почве было в среднем 3,60 % для пахотного горизонта. При длительном орошении почвы она потеряла от 13 до 23 % гумуса в пахотном горизонте и значительно меньше в корнеобитаемом горизонте. Аналогичным образом снизились и другие (К, Р, К и др.) элементы минерального питания растений из верхнего пахотного горизонта [4]. В основном снижение гумуса происходило за счет высокой минерализации органических остатков и несоблюдения режимов орошения, с выносом гумуса в нижележащие горизонты.
Таблица 6
Влияние длительного внутрипочвенного орошения хозяйственно-бытовыми стоками на перераспределение, дифференциацию и прирост гумуса дерново-подзолистой почвы (по Н.М. Шевцову)
Слой почвы, см Неорошаемая почва Орошаемая почва
Содержание гумуса, % | % к контролю Содержание гумуса, % | % к контролю
Перераспределение гумуса по п] рофилю почвы
0-20 1,58 100,0 1,54 97,5
20-40 0,43 100,0 1,12 260,5
40-60 0,35 100,0 0,56 160,0
0-60 0,79 100,0 1,07 135,4
Дифференциация (по гумусу) профиля почвы по уровню плодородия
0-20 20-40 3,67 1,38
0-20 20-60 4,05 1,83
Прирост гумуса (в % к контролю) по профилю пахотного и корнеобитаемого горизонтов почвы
0-20 0 -2,5
20-60 0 +115,4
Средний показатель (в % к контролю) плодородия пахотного и корнеобитаемого горизонтов почвы
0-20 100,0 114,0
0-60 100,0 138,0
Средний показатель (в % к контролю) производительности почвы
0-60 | 100,0 | 165,6
При длительном поверхностном орошении сточными водами на дерново-подзолистых почвах нами установлено, что прирост гумуса и других элементов минерального питания происходит в основном в верхнем слое корнеобитаемого горизонта, а при внутрипочвенном орошении теми же стоками прирост гумуса осуществляется в нижних слоях корнеобитаемого горизонта, на что указывают данные, представленные в табл. 5 и 6. Средний показатель дифференциации пахотного горизонта к подпахотному по уровню плодородия при поверхностном орошении значительно увеличился и стал гетерогенным по сравнению с контролем, а при внутрипочвенном орошении, наоборот, он уменьшился, что указывает на гомогенное сложение почвы по уровню плодородия. Средний показатель плодородия корне-обитаемого горизонта при поверхностном орошении составил 118,9 %, а при внутрипочвенном соответственно 138,0 %, отсюда производительность дерново-подзолистой почвы увеличилась в первом случае на 127,0 %, а во втором соответственно на 165,6 %.
Таким образом, обобщив полученные данные рассматриваемых исследований, проделанных в различных экологических условиях природных зон, мы пришли к выводу, что накопление гумуса и естественно других элементов минерального питания в культуре современного богарного и орошаемого земледелия можно достичь путем использования инновационных систем обработки, способов приготовления и внесения различных форм
удобрений на разную глубину пахотного и корнеобитаемого горизонтов, которые создают гомогенный пахотный (и корнеобитаемый) горизонт по уровню плодородия, необходимый для воспроизводства плодородия и подъема производительности самих почв, а также оптимального роста и развития культурных растений и получения высокого уровня.
Список литературы:
1. Тюрин И.В. Органическое вещество почв. - М.: Сельхозчиз, 1963. -300 с.
2. Гринченко А.М. и др. Трансформация гумуса при сельскохозяйственном использовании почв. // Вестник с.-х. науки. - 1979. - № 1. - С. 36-40.
3. Чевердин Ю.И. и др. Изменение запасов основных элементов питания в черноземах в зависимости от длительности их земледельческого использования // Аграрная Россия. - 2014. - № 7. - С. 2-5.
4. Шуравилин А.В. и др. Свойства и плодородие почв при многолетнем орошении // Плодородие. - 2008. - № 1. - С. 19-20.
5. Францессон В.А. Избранные труды. - М.: Сельхозчиз. 1963. - 320 с.
6. Михайлина В.И. Влияние органических удобрений на повышение плодородия почв // Обзорная информация. - М., 1986. - 63 с.
7. Шевцов Н.М. Гомогенно-генетическая теория воспроизводства плодородия почв // Аграрная Россия. - 2012. - № 11. - С. 18-25.
8. Шевцов Н.М. Комбинированная система обработки в культуре современного богарного земледелия. - М.: Литкон, 2012. - 320 с.
9. Шевцов Н.М. Способ воспроизводства плодородия и повышения продуктивности почв // Агрохимия. - 2008. - № 7. - С. 77-85.
10. Шевцов Н.М. Способы повышения плодородия и продуктивности почв в богарном и орошаемом земледелии // Нива Поволжья. - 2011. - № 1. -С. 72-77.
11. Шевцов Н.М. Дифференциация как метод диагностики деградации и расширенного воспроизводства плодородия почв // Аграрная Россия. - 2013. -№ 11. - С. 6-14.
