CC BY
320
УДК 631.175:633.1:631.8 А.А. Шпедт
ЗАВИСИМОСТЬ УРОЖАЯ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР ОТ СОДЕРЖАНИЯ ФОРМ ГУМУСОВЫХ ВЕЩЕСТВ В ЧЕРНОЗЕМАХ
В статье рассмотрены зависимости урожайности зерновых культур от содержания в черноземах Красноярского края общего гумуса и подвижных форм гумусовых веществ, экстрагируемых децинормальным раствором щелочи без декальцирования. Предложены, применительно к зерновым культурам, градации по содержанию общего гумуса и подвижных гумусовых веществ. Установлено, что связь между продуктивностью зерновых культур и содержанием подвижных гумусовых веществ теснее, чем с содержанием общего гумуса.
Введение. Значение общего содержания гумуса как важнейшего фактора плодородия раскрыто в научной литературе достаточно полно. В агроландшафтах Центрально-Черноземной зоны на черноземах типичных и выщелоченных повышение содержания гумуса в диапазоне 3,5—6,5% сопровождается линейным повышением урожайности зерновых культур [21]. По данным Н.Ф. Ганжары и Б.А. Борисова [3], достоверный рост урожайности сельскохозяйственных культур на дерново-подзолистых почвах наблюдался в интервале содержания гумуса в почве 1,6—3,1%, причем, только в вариантах без применения удобрений. При изучении влияния на урожайность различных факторов черноземных почв лесостепных зон Центральной Сибири наибольший коэффициент передачи информации (влияние на урожайность) получен от содержания гумуса [18-19; 26-27]. Для различных регионов, применительно к черноземам, разработаны высоковероятностные модели урожайности зерновых культур, включающие показатель общего содержания гумуса [2; 18-19; 21-22; 26-28; 33].
Н.Ф. Ганжара и В.И. Кирюшин [6] полагают, что коррелятивные связи не позволяют раскрыть причинно-следственные. По их мнению, «...содержание гумуса и урожай могут находиться в тесной корреляционной связи, поскольку они зависят от тех же факторов и имеют одинаковую направленность изменений». По мнению В.И. Кирюшина [13] и Н.Ф. Ганжары [5], традиционное представление о прямой тесной связи содержания гумуса с урожайностью сложилось при относительно низком уровне интенсификации земледелия и при невысоком уровне применения удобрений. По данным [4], влияние гумуса на урожайность проявляется только в вариантах без применения минеральных удобрений.
В условиях длительных стационарных опытов не всегда наблюдается тесная зависимость между содержанием гумуса и урожаем полевых культур [17; 20; 24; 31].
На современном этапе развития земледельческой науки возникло понимание, что плодородие почв не может рассматриваться безотносительно климатических условий и выращиваемых культур, а оптимум любого показателя относителен и зависит от сочетания свойств почв и внешних условий [23]. Сформировалось также понимание необходимости разработки системы новых показателей, характеризующих почвенное плодородие и влияющих на продуктивность сельскохозяйственных культур. Соответственно разработанные ранее методы исследования почв должны быть дополнены. Критерием пригодности метода может служить высокий уровень корреляции свойств почв с эффектом их использования [23]. Так сложилось, что отечественная почвоведческая школа, чаще всего, в основу для отбора природных свойств и признаков кладет тесноту коррелятивной связи между свойствами почв и урожайностью основных сельскохозяйственных культур.
Объекты и методы исследования. Влияние содержания и состава гумуса, форм азота на урожайность зерновых культур изучали в пределах Красноярской лесостепи в полевых опытах в 1994-1998, 2002 и 2005 гг. Опыты были заложены в ОПХ «Минино» Красноярского НИИ сельского хозяйства. Почвы опытных участков были представлены черноземом выщелоченным и обыкновенным, мало-, средне-, и высокогумус-ными среднемощными видами, среднесуглинистого гранулометрического состава.
В 1996 году (полевой опыт №1) исследования проводились в агроценозе ярового ячменя сорта Соболек. В 1997 г. в полевых опытах №2 и №3 выращивалась соответственно яровая пшеница сорта Черемшан-ка и овес Саян. В 1998 г. в полевых опытах №4 и №5 были заложены агроценозы с сортами яровой пшеницы
соответственно Черемшанка и Тулунская 12. В 2002 и 2005 гг. в полевом опыте №6 возделывались соответственно пшеница сорта Уярочка и яровой ячмень Вулкан. В данной работе приводится информация только по трем полевым опытам.
Выдерживалась общепринятая для лесостепной зоны агротехника без применения минеральных и органических удобрений. Яровая пшеница культивировалась по чистому пару, а овес и ячмень - после пшеницы.
Отбор почвенных образцов для агрохимического анализа проводился ежегодно в мае - начале июня, а уборка урожая зерновых культур в конце августа - начале сентября. Учет урожая выполнялся сопряжено отбору почвенных образцов.
Содержание гумуса определяли по методу И.В. Тюрина. Подвижные вещества гумусовой природы извлекали путем экстракции 0,1н. NаОН, без декальцирования, при соотношении почвы и щелочи 1:20, с последующим окислением по методу Тюрина.
Результаты и обсуждение. Органическое вещество почвы подразделяют на две основные категории в зависимости от способности к биохимическому разложению и трансформации: лабильную, быстро минерализуемую часть, устойчивую консервативную часть гумуса, сохраняющуюся в течение длительного времени [12; 16; 25]. Первое в большей мере характеризует эффективное, второе - потенциальное плодородие почвы. Для черноземных почв фракция подвижных гумусовых веществ извлекается из почвы непосредственно 0,1-0,2н. раствором NаОН [9; 29]. В настоящее время накоплен экспериментальный материал, свидетельствующий о тесной положительной связи подвижных гумусовых веществ с окультуренностью и плодородием почв [8; 11; 14-15].
Очевидно, что для каждого региона и для каждого типа почв концентрация лабильных гумусовых веществ будет неодинаковой. Можно предполагать, что в черноземах Красноярского края оптимальное для сельскохозяйственных культур содержание данной формы гумусовых веществ будет несколько больше, что связано с особенностями климата. Здесь период благоприятный для жизнедеятельности микроорганизмов, более короткий по сравнению с европейскими почвами и сдвинут на вторую половину лета, что ослабляет темпы минерализации гумусовых веществ, и, как следствие, высвобождение подвижных форм азота. Поэтому для формирования средних и высоких урожаев запас падвижных гумусовых веществ в почвах на момент посева сельскохозяйственных культур должен быть несколько большим, чем в европейских почвах.
В научной литературе разные авторы дают широкий диапазон оптимальных параметров содержания гумуса [10; 30; 32]. Оптимальное содержание гумуса приводится не как единичная величина, а как определенный интервал. На черноземах оптимальное для возделывания зерновых культур содержание гумуса дается в очень широком диапазоне - от 3,1 до 7,0%. По мнению [6], это обусловлено разными методическими подходами отдельных авторов к определению оптимального содержания гумуса. Следует также согласиться с мнением [5] о том, что к настоящему времени недостаточно разработаны критерии оптимизации гумусного состояния почв.
Для выявления количественного влияния общего углерода гумуса, подвижных гумусовых веществ и нитратного азота на продуктивность зерновых культур проведен парный корреляционно-регрессионный анализ [7].
Для построения уравнений регрессии в парные выборки были объединены данные трех полевых опытов, где продуктивность сельскохозяйственных культур была сопоставимой (табл. 1). В выборку вошли данные полевого опыта №2 (1997 г., п=19), №4 (1998 г., п=20) и №6 (2005 г., п=20). Среднее содержание углерода гумуса в выборке составляло 2,01%, или 3,46% гумуса, что соответствует, по современной группировке, низкому значению. Содержание подвижных гумусовых веществ колебалось от 90 до 393 мг С/100 г почвы, при среднем значении, равном 210 мг С/100 г. Средняя урожайность зерна культур составляла 2,43 т/га. Во всех случаях показатель точности (Эх,%) не превышал 5%, что указывает на вполне удовлетворительную точность проведения исследования. Представленные коэффициенты вариации указывают на среднее по величине варьирование значений, что позволяет утверждать, что значения в выборках имеют распределение, близкое к нормальному.
Таблица 1
Статистические параметры выборки полевых опытов №2, №4, №6
Показатель Характеристика выборок
п Значение Эх Эх,% ч%
тах тіп х
Сгумуса, % 59 2,96 1,22 2,01 0,06 3,0 23,0
С0,1н. ИаОН, мг/100 г 59 393 90 211 9,5 4,5 34,6
Урожайность зерна, т/га 59 3,46 1,00 2,43 0,08 3,3 25,3
Погодные условия в годы проведения данных опытов были охарактеризованы как теплые и засушливые, что достаточно типично. Вероятность повторения засушливых условий в Красноярской лесостепи составляет 20-30% лет [1]. Наступление засушливого периода имело место в конце весны - начале лета, что достаточно типично.
Таблица 2
Модели урожайности зерновых культур по результатам корреляционно-регрессионного анализа* ^теор.об=4,00)
Тип связи п F факт. г2 Доверительный интервал уравнения (Хтіп. ■ .Хтах) Модель урожайности Эг
Линейная 59 8,3 0,13 1,22...2,96 У1=0,465хН,496 21,9
Криволинейная 59 12,3 0,18 1,22.2,96 Ln(у1)=0,44Ln(X1)+0,558 21,7
Линейная 59 6,6 0,10 90.393 У2=0,002х2+1,931 21,8
Криволинейная 59 13,1 0,19 90.393 Ln(у2)=0,266in(X2)-0,55 21,6
Примечание: п - число наблюдений; Fфакт. - фактический критерий Фишера; г2 - коэффициент де-теминации; у1, у2 = урожайность зерна, т/га; Х1 - содержание в почве углерода гумуса (Сгумуса,%); Х2 - содержание в почве подвижных гумусовых веществ (Со,1н. ^он, мг/100 г); Sr - ошибка математической модели, %.
Проведенные исследования позволили построить, применительно к зерновым культурам, модели урожайности (табл. 2). При построении моделей урожайности использовали методы линейного и нелинейного регрессионного анализа. В первом случае корреляционная зависимость между двумя признаками выражалась уравнением прямой линии у=а+Ьх, во втором - уравнением степенного типа у=ахь, которое в результате логарифмирования превращается в уравнение вида Ln(y)=Ln(a)+bLn(x), где а - свободный член; Ь - коэффициент регрессии; х - независимая переменная величина.
Модели урожайности зерновых культур статистически доказываются по критерию Фишера. Судя по коэффициенту детерминации, влияние общего содержания гумуса на урожайность зерновых культур составляет 10-13%, а влияние содержания подвижных гумусовых веществ увеличивается до 18-19%. Зависимость между содержанием в почве гумусовых веществ и урожайностью лучше описывается уравнением степенного типа, которое предусматривает определенную криволинейность. Парные выборки включали в себя данные трех полевых опытов разных лет, поэтому ошибка математической модели достаточно большая, превышает 20%.
Математические модели урожайности позволили рассчитать в границах доверительного интервала минимальные, средние и максимальные значения общего углерода (гумуса), подвижных гумусовых веществ и соответствующие им уровни урожайности зерновых культур (табл. 3). Минимальное содержание гумуса соответствует 2,10-3,03%, среднее - 3,02-4,02%, высокое - 4,02-5,10%. На базе данных значений разработана градация содержания общего гумуса (%), применительно к зерновым культурам: <2,00 - очень низкое; 2,00-3,00 - низкое; 3,00-4,00 - среднее; 4,00-5,00 - высокое; >5,00 - очень высокое.
Таблица 3
Минимальные, средние, максимальные значения содержания гумусовых веществ (х1, Х2) и прогнозируемый уровень продуктивности зерновых культур (у1, У2, т/га)
(Вероятность попадания в интервал утт---утах = 0,95)
Модель урожайности Значение
тіп Среднее тах
Х1 Сгумуса, % (Гумус, %) 1,22-1,75±0,32 (2,10-3,02) 1,75-2,33±0,44 (3,02-4,02) 2,33-2,96±0,57 (4,02-5,10)
У1=0,465 Х1+1,496 2,06-2,31 2,31-2,58 2,58-2,87
Ln(у1)=0,44in(X1)+0,558 1,91-2,23 2,23-2,53 2,53-2,82
Х2 С0,1н. NаОН, МГ/100 Г 90-170±28 170-271 ±48 271 -393±72
у2=0,002 Х2+1,931 2,15-2,34 2,34-2,58 2,58-2,87
Ln(у2)=0,266in(X2)-0,55 1,91-2,27 2,27-2,56 2,56-2,83
В полевых опытах корреляционная зависимость продуктивности зерновых культур была теснее от содержания подвижных гумусовых веществ, чем от содержания общего гумуса, поэтому целесообразно знать их пограничные параметры в почве. Минимальное содержание подвижных гумусовых веществ составляло 90-170 мг С/100 г почвы, среднее - 170-271, высокое 271-393 мг С/100 г почвы. Данные значения легли в основу градации по содержанию подвижных гумусовых веществ (мг С/100 г) в почве для зерновых культур: <100 - очень низкое; 100-200 - низкое; 200-300 - среднее; 300-400 высокое; >400 - очень высокое.
Предложенная градация по содержанию подвижных гумусовых веществ вполне согласуется с рекомендациями, разработанными сотрудниками Почвенного института им. В.В. Докучаева. На черноземе типичном для среднего уровня урожаев рекомендуется иметь подвижных гумусовых веществ порядка 230±40 мг С/100 г почвы, для высоких - 370±90 [8].
Предложенные выше градации содержания общего гумуса и подвижных гумусовых веществ разработаны применительно к черноземам Красноярского края могут быть использованы при возделывании зерновых культур и не учитывают действия минеральных и органических удобрений.
Выводы
1. Существует корреляционно-регрессионная зависимость между содержанием в почве общего гумуса, подвижных гумусовых веществ и урожайностью зерновых культур. Связь имеет место только при достаточно низких значениях содержания гумуса (1,22-2,96, %С) и подвижных гумусовых веществ (90-393 мг С/100 г почвы). Связь между урожайностью зерновых культур и содержанием подвижных гумусовых веществ теснее, чем с содержанием общего гумуса.
2. Для черноземных почв, применительно к зерновым культурам, предлагаются градации: по содержанию общего гумуса (%) - <2 - очень низкое; 2-3 - низкое; 3-4 - среднее; 4-5 - высокое ; >5 - очень высокое; по содержанию подвижных гумусовых веществ (мг С/100 г почвы) - <100 - очень низкое; 100-200 - низкое, 200-300 - среднее, 300-400 - высокое; >400 - очень высокое.
Литература
1. Агроклиматические ресурсы Красноярского края и Тувинской АССР. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974. -211 с.
2. Бурлакова, Л.М. Плодородие алтайских черноземов в системе агроценоза / Л.М. Бурлакова. - Новосибирск: Наука, 1984. - 199 с.
3. Ганжара, Н.Ф. Влияние содержания гумуса в дерново-подзолистых почвах на их свойства и урожайность сельскохозяйственных культур / Н.Ф. Ганжара, Б.А. Борисов // Изв. ТСХА. - 1985. - №2. - С. 53-58.
4. Ганжара, Н.Ф. Легкоразлагаемые органические вещества почв / Н.Ф. Ганжара, Б.А. Борисов, М.А. Фло-ринский // Химизация сельского хозяйства. - 1990. - №1. - С. 53-55.
5. Ганжара, Н.Ф. Почвоведение: учеб. / Н.Ф. Ганжара. - М.: Агроконсалт, 2001. - 392 с.
6. Ганжара, Н.Ф. Критерии оптимизации режима органического вещества и гумусового состояния почв / Н.Ф. Ганжара, В.И. Кирюшин // Концепция оптимизации режима органического вещества почв в агроландшафтах. - М.: Изд-во МСХА, 1993. - С. 69-76.
7. Дмитриев, Е.А. Математическая статистика в почвоведении / Е.А. Дмитриев. - М.: Изд-во МГУ, 1972. -291 с.
8. Дьяконова, К.В. Оценка почв по содержанию и качеству гумуса для производственных моделей почвенного плодородия / К.В. Дьяконова, Н.А. Титова, Б.М. Когут [и др.]. - М.: Агропромиздат, 1990. - 27 с.
9. Егоров, М.А. Подвижное органическое вещество почвы как один из показателей степени окультуренно-сти ее / М.А. Егоров // Записки Харьковского СХИ. - Харьков, 1938. - Т. 1. - Вып. 2. - С. 3-38.
10. Ефремов, В.В. Моделирование плодородия чернозема типичного / В.В. Ефремов // Модели плодородия и методы из разработки. - М., 1982. - С. 78-84.
11. Жуков, А.И. Оптимальное содержание лабильного гумуса / А.И. Жуков // Земледелие. - 1990. - № 12. -С. 38-40.
12. Жуков, А.И. Гумус и урожайность зерновых культур на дерново-подзолистой почве / А.И. Жуков, Л.В. Сорокина, В.В. Мосалева // Почвоведение. - 1993. - № 1. - С. 55-60.
13. Кирюшин, В.И. Экологические основы земледелия / В.И. Кирюшин. - М.: Колос, 1996. - 367 с.
14. Когут, Б.М. Изменение содержания, состава и природы гумусовых веществ при сельскохозяйственном использовании типичного мощного чернозема: автореф. дис. ... канд. с.-х. наук / Б.М. Когут. - М., 1982.
- 24 с.
15. Когут, Б.М. Принципы и методы оценки содержания трансформируемого органического вещества в пахотных почвах / Б.М. Когут // Почвоведение. - 2003. - № 3. - С. 308-316.
16. Кононова, М.М. Органическое вещество почвы, его природа, свойства и методы изучения / М.М. Кононова. - М.: Наука, 1963. - 313 с.
17. Крупкин, П.И. Влияние гумусированности почв на некоторые агрохимические свойства черноземов и урожай / П.И. Крупкин, Н.Н. Крыжановская, Л.И. Чурикова // Баланс органического вещества и плодородие почв в Восточной Сибири. - Новосибирск: ВАСХНИЛ, 1985. - С. 52-61.
18. Крупкин, П.И. Особенности свойств и пути повышения плодородия черноземов Центральной Сибири: автореф. дис. ... д-ра биол. наук / П.И. Крупкин. - Новосибирск, 1993. - 55 с.
19. Крупкин, П.И. Черноземы Красноярского края: моногр. / П.И. Крупкин. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2002. - 332 с.
20. Минеев, В.Г. Влияние длительного применения удобрений на гумус и урожай культур / В.Г. Минеев, Л.К. Шевцова // Агрохимия. - 1978. - № 7. - С. 147.
21. Проценко, Е.П. Влияние обеспеченности элементами минерального питания на продуктивность зерновых культур в агроландшафтах Центрально-Черноземной зоны / Е.П. Проценко, О.Г. Чуян, Л.Н. Караулова // Почвы - национальное достояние России: мат-лы IV съезда Докучаевского общества почвоведов.
- Новосибирск, 2004. - Кн. 2. - С. 97.
22. Рассыпнов, В.А. Почвенно-климатические факторы урожайности и моделирование эффективного плодородия в агроценозах: автореф. дис. ... д-ра биол. наук / В.А. Рассыпнов. - Новосибирск, 1993. - 32 с.
23. Савич, В.И. Оценка почв / В.И. Савич, Х.А. Амергужин, И.И. Карманов [и др.]. - Астана, 3003. - 544 с.
24. Сорокина, О.А. Влияние освоения и сельскохозяйственного использования на гумусовое состояние серых лесных почв / О.А. Сорокина // Баланс органического вещества и плодородие почв в Восточной Сибири. - Новосибирск: ВаСхНИЛ, 1985. - С. 52-61.
25. Тейт, Р.Ш. Органическое вещество почвы / Р.Ш. Тейт. - М.: Мир, 1991. - 400 с.
26. Топтыгин, В.В. Оценка эффективного плодородия освоенных почв на основе математического моделирования урожайности: автореф. дис. ... канд. с.-х. наук / В.В. Топтыгин. - Новосибирск, 1990. - 16 с.
27. Топтыгин, В.В. Математические модели урожайности для разных природных округов Центральной Сибири / В.В. Топтыгин // Почвы и повышение их производительной способности. - Красноярск; Новосибирск, 1993. - С. 167-172.
28. Трубицина, Е.В. Обобщенные показатели плодородия почв / Е.В. Трубицина, Х.А. Амергужин, В.И. Савич [и др.] // Почвы - национальное достояние России: мат-лы IV съезда Докучаевского общества почвоведов. - Новосибирск, 2004.
29. Тюрин, И.В. Органическое вещество почв / И.В. Тюрин. - М.-Л.: Сельхозгиз, 1937. - 288 с.
30. Унгурян, В.Г. Антропогенная эволюция черноземов Молдовы / В.Г. Унгурян // Антропогенная эволюция черноземов. - Воронеж: Изд-во Воронеж. гос. ун-та, 2000. - С. 225-246.
31. Хлыстовский, А.Д. Содержание и состав гумуса дерново-подзолистой почвы при длительном внесении удобрений / А.Д. Хлыстовский, Е.Ф. Корниенко // Почвоведение. - 1981. - №7. - С. 49-55.
32. Чесняк, Г.Я. Закономерности изменения содержания гумуса и пути обеспечения его бездефицитного баланса в черноземах типичных УССР в условиях интенсификации земледелия / Г.Я. Чесняк // Проблемы гумуса в земледелии. - Новосибирск, 1986. - С. 131-141.
33. Чуян, О.Г. Оценка уровня плодородия почв по агрохимическим свойствам / О.Г. Чуян, Е.П. Проценко // Почвы - национальное достояние России: мат-лы IV съезда Докучаевского общества почвоведов. - Новосибирск, 2004. - Кн. 2. - С.113.
♦
