Russian Federation
The purpose of the paper is to evaluate the biological quality of the structural aggregates of leached chernozem under conditions of minimizing processing. The studies were carried out in the Krasnoyarsk natural district on the land areas of the SEC Shilinskoye, Sukhobuzimsky District (56°57' N, 93°76' E). The influence of soil tillage methods on the biological quality of structural aggregates was studied in 2014. Reference plots with an area of 500 m2 were identified within the production crops. Soil samples were taken from each of them from layers 0–5 and 5–20 cm using the snake method. The sample size (n=15) was calculated based on the soil fertility variation determined before the experiment. The object of research is a leached multi-humus powerful light clayey chernozem on brown clay. The sizes of structural aggregates selected for the study: >10, 10-7, 7-5, 5-3, 3-2, 2-1 and <1 mm. The biological quality of organic matter was characterized by maximum values when using the surface disking technology, especially in the 0–5 cm layer. In the 5–20 cm layer, aggregates 10–7 and 3–2 mm in size were noted with the maximum rate of mineralization, while aggregates <1 mm were the lowest. The processing method makes the maximum contribution to the parameters of the biological quality of the organic matter of the leached chernozem. In layers of 0–5 cm, its influence is more than 80 %; in the layer of 5–20 cm, its share decreases to 60 %. The sizes of aggregates with depth increase the degree of their participation in biochemical processes.
biological quality of organic matter, soil structural aggregates, minimization of tillage, organic matter, soils
Введение. Особая роль в повышении эффективного плодородия пахотных почв отводится лабильной и трансформируемой части органического вещества почвы, так как она непосредственно участвует в обеспечении растений элементами питания и в процессах образования агрономически ценной структуры почвы, определяющей физические условия почвенного плодородия [1–4]. В настоящее время исследователи проявляют большой интерес к проблеме физической стабилизации органического углерода (Сорг) в почве, выявлению взаимосвязей между органическими компонентами почвы и агрегацией ее твердой фазы. Органическое вещество служит связующим материалом и ядром формирующихся агрегатов, а сами агрегаты считаются основным местом аккумуляции Сорг в почве [4, 5]. Чрезвычайно важны также биологические функции органического вещества почвы. Поэтому наряду с физическими и химическими свойствами органического вещества следует рассматривать и его биологическое качество [6–10]. Основным критерием биологического качества органических веществ является эффективность их минерализации, которая оценивается по интенсивности образования С-СО2.
Цель исследования – оценить биологическое качество почвенных агрегатов разного размера в слоях 0–5 и 5–20 см чернозема выщелоченного в условиях минимизации обработки.
Объекты и методы. Экспериментальные исследования проведены в Красноярском природном округе на земельных площадях СПК «Шилинское» Сухобузимского района. Влияние способов обработки почвы на биологическое качество структурных агрегатов изучали в 2014 г. В пределах производственных посевов были выделены реперные участки площадью 500 м2. С каждого из них отбирали почвенные образцы из слоев 0–5 и 5–20 см методом змейки. Объем выборки (n = 15) рассчитывали исходя из определенной до проведения опыта величины варьирования почвенного плодородия. Объект исследований – чернозем выщелоченный многогумусный мощный легкоглинистый на коричневой глине. Рельеф участка выровнен, с микрозападинами. Почвенный покров опытного стационара характеризовался высоким содержанием гумуса (8,9 %), близкой к нейтральной величиной рН водной вытяжки (6,8), высокими значениями суммы обменных оснований (60 ммоль/100 г почвы) и степени насыщенности основаниями (99 %).
Схема полевого опыта представлена следующими вариантами: 1) отвальная вспашка; 2) минимальная обработка; 3) нулевая обработка (прямой посев). Отвальную основную обработку осуществляли на глубину 20–22 см, посев яровой пшеницы проводили комбинированным агрегатом – стерневой сеялкой СС-6 с одновременным припосевным внесением нитроаммофоски. Минимальную обработку почвы проводили дисковыми горизонтальными сошниками на глубину
4–5 см и посев яровой пшеницы с помощью посевного комплекса СКС-3,2 с одновременным внесением нитроаммофоски. Нулевая технология заключалась в трехкратной обработке баковой смесью из гербицидов «Топик» и «Ковбой», фунгицида «Альто Супер» и инсектицида «Карате». Посев проводился комбинированным агрегатом СС-6 без предварительной подготовки почвы с механическим высевом семян. Оценку биологического качества органического вещества почвы осуществляли по В.М. Семенову [6]. Навески почв (
Повторность – трехкратная. Температура воздуха в течение всего периода наблюдений составляла 22±1 °С. Устанавливали скорость продуцирования и кумулятивное количество (нарастающим итогом) выделившегося С-СО2 в разные промежутки с начала инкубации. Статистический анализ данных проводился с использованием пакета программ MS Excel.
Результаты и их обсуждение. Свое внимание сосредоточили на одном из основных критериев биологического качества органического вещества почвы – интенсивности образования
C-CO2. В предложенном В.М. Семеновым и др. [6] методе оценки первые 1–2 недели измерений являются оперативной диагностикой качества органического вещества. Авторы утверждают, что скорость продуцирования углекислого газа разными структурными отдельностями почвы на протяжении их инкубации дает представление о доступности почвенным микроорганизмам физически защищенного органического вещества. Причем кумулятивное его количество свидетельствует о запасах в почве потенциально минерализуемого органического вещества. Информация, представленная на рисунке 1, демонстрирует наиболее высокую обогащенность легкоминерализуемым органическим веществом верхнего 0–
|
А |
Б |
В |
|
|
|
|
|
*- здесь и далее |
||
|
|
||
Рис. 1. .Динамика кумулятивного продуцирования С-СО2 структурными агрегатами
в слое 0–5 см при отвальной (А), минимальной (Б) и нулевой (В) обработках
(сроки – дни экспериментов)
При прямом посеве в верхнем слое сосредоточивались растительные остатки с широким отношением C:N, содержащие в том числе и растворимые фракции лигнина, целлюлозы и полифенолов [3]. Как следствие, скорость продуцирования в почве данного варианта проходила медленней. Весьма вероятно, что физическое предохранение органического вещества в макроагрегатах обеспечивалось уменьшением диффузии кислорода внутрь педа, пространственным разделением мест обитания микроорганизмов и микрофауны [4]. Оценивая минерализационную способность структурных фракций на разных фонах обработки, выделим основные закономерности (табл. 1).
Таблица 1
Интенсивность продуцирования СО2 структурными агрегатами в слое 0–5 см, мг/100 г
|
Размер агрегатов, мм |
Отвальная |
Минимальная |
Нулевая |
||||||||||||
|
Срок инкубации, сут |
|||||||||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
>10 |
63 |
61 |
55 |
99 |
59 |
– |
105 |
127 |
31 |
36 |
61 |
72 |
100 |
63 |
92 |
|
10-7 |
70 |
63 |
59 |
97 |
59 |
133 |
99 |
119 |
22 |
33 |
70 |
62 |
99 |
65 |
94 |
|
7-5 |
70 |
58 |
57 |
96 |
55 |
121 |
91 |
118 |
23 |
35 |
63 |
64 |
101 |
60 |
93 |
|
5-3 |
67 |
58 |
55 |
93 |
50 |
117 |
95 |
119 |
24 |
31 |
62 |
75 |
99 |
57 |
89 |
|
3-2 |
61 |
51 |
51 |
89 |
50 |
125 |
95 |
109 |
21 |
29 |
60 |
54 |
101 |
59 |
87 |
|
2-1 |
67 |
56 |
57 |
97 |
55 |
142 |
96 |
109 |
26 |
36 |
68 |
59 |
97 |
62 |
90 |
|
<1 |
70 |
61 |
53 |
93 |
53 |
126 |
95 |
111 |
26 |
32 |
65 |
67 |
97 |
61 |
91 |
|
НСР05 |
* |
7 |
* |
* |
* |
8 |
5 |
* |
* |
* |
* |
* |
* |
* |
* |
* p > 0,05.
Использование поверхностного дискования обусловило существенные отличия между агрегатами по интенсивности продуцирования углекислоты в начальные периоды инкубации. На наш взгляд, это связано с размерами агрегатов и, соответственно, с уровнем пространственной недосягаемости разлагаемого субстрата микроорганизмами. Например, минимальное кумулятивное количество выделяющегося С-СО2 выявлено в агрегатах размером 3-2 мм, а наибольшее в агрегатах >10 мм. Вероятно, между крупными отдельностями локализовывались более крупные поры и органическое вещество, находящееся на периферии таких агрегатов, становилось легкодоступным для диффузии кислорода, что приводило к усилению процессов окисления. В агрегатах 2-1 и <1 мм скорость минерализации была выше, чем 3-
Анализ степени влияния исследуемых факторов (ПСВ – показатель силы влияния) на минерализационную активность почвы показал, что статистически значимый вклад вносил способ обработки почвы (табл. 2).
Таблица 2
Оценка вклада факторов в изменение биологического качества органического вещества
чернозема выщелоченного, 0–5 см
|
Факторы |
ПСВ, % |
|
2 |
|
92 |
|
1 |
|
5 |
По нашему мнению, обработка существенно преобразовывала качественный состав органического вещества структурных педов вне зависимости от их размера. Вероятно, технология неглубокого дискования с оставлением стерни на поверхности способствовала, с одной стороны, обогащению почвы кислородом, с другой – концентрированию лабильного органического вещества в периферийной части агрегатов. В слое 5–20 мы наблюдали существенные различия в интенсивности продуцирования углекислого газа в сравниваемых технологиях обработки (рис. 2).
|
А |
Б |
В |
|
|
|
|
Рис. 2. Динамика кумулятивного продуцирования С-СО2 структурными агрегатами
в слое 5–20 см при отвальной (А), минимальной (Б) и нулевой (В) обработках
(сроки – дни экспериментов)
Интенсивность образования углекислого газа была максимальна в структурных агрегатах при использовании отвальной обработки. При использовании минимальных обработок параметры биологического качества органического вещества между структурными агрегатами не имели существенных различий, тогда как применение отвального плуга существенно влияло на их минерализационную активность (табл. 3).
Таблица 3
Интенсивность продуцирования СО2 структурными агрегатами
в слое 5–20 см, мг/100 г
|
Размер агрегатов, мм |
Отвальная |
Минимальная |
Нулевая |
||||||||||||
|
Срок, сут |
|||||||||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
>10 |
150 |
91 |
141 |
35 |
35 |
– |
105 |
127 |
30 |
30 |
51 |
59 |
83 |
53 |
77 |
|
10-7 |
169 |
131 |
160 |
73 |
56 |
133 |
99 |
118 |
27 |
33 |
58 |
51 |
83 |
54 |
78 |
|
7-5 |
162 |
77 |
115 |
52 |
42 |
121 |
91 |
118 |
22 |
41 |
53 |
46 |
84 |
50 |
77 |
|
5-3 |
145 |
83 |
148 |
45 |
45 |
117 |
95 |
119 |
24 |
34 |
52 |
68 |
83 |
48 |
74 |
|
3-2 |
170 |
51 |
131 |
63 |
8 |
125 |
95 |
108 |
20 |
33 |
50 |
47 |
84 |
49 |
72 |
|
2-1 |
150 |
73 |
155 |
47 |
9 |
142 |
96 |
109 |
26 |
37 |
56 |
49 |
80 |
52 |
75 |
|
<1 |
91 |
16 |
101 |
28 |
7 |
126 |
95 |
111 |
26 |
26 |
54 |
49 |
80 |
51 |
75 |
|
НСР05 |
18 |
23 |
34 |
27 |
15 |
10 |
6 |
* |
* |
5 |
* |
6 |
* |
* |
* |
* p > 0,05.
Выявлено, что наибольшей скоростью минерализации отмечались агрегаты размером 10-7 и 3-2 мм, наименьшей – агрегаты <1 мм. По аналогии с почвенным слоем 0–5 см анализ степени влияния исследуемых факторов на минерализационную активность почвы слоя 5–20 см показал значимый вклад «способа обработки почвы» в параметры биологического качества органического качества (табл. 4).
Таблица 4
Оценка вклада факторов в изменение биологического качества органического вещества
чернозема выщелоченного, 5–20 см (июль 2014 г.)
|
Факторы |
ПСВ, % |
|
10 |
|
64 |
|
16 |
|
10 |
Таким образом, в слоях 0–5 см влияние «способа обработки почвы» составляло более 80 %, а на глубине 5–20 доля воздействия фактора снижалась до 60 %. Размеры агрегатов, напротив, с глубиной повышали степень своего участия в биохимических процессах.
Заключение
- В условиях минимальной обработки структурные агрегаты чернозема выщелоченного в целом демонстрируют высокое биологическое качество органического вещества изученных слоев почвы по данным оперативной диагностики.
- Наибольшей скоростью минерализации органического вещества в условиях минимальной обработки характеризовался поверхностный слой почвы.
- Максимальная интенсивность образования углекислоты выявлена в структурных фракциях почвы на разных фонах обработках в агрегатах размером 10-7 и 7-5 мм.
1. Belousov A.A., Belousova E.N. Vliyanie strukturnogo sostava pochvy i agrohimikatov na soderzhanie S mikrobnoy biomassy // Vestnik Buryatskoy sel'skohozyaystvennoy akademii im. V.R. Filippova. 2013. № 2(31). S. 25–31.
2. Belousov A.A., Belousova E.N. Sezonnaya dinamika vodorastvorimogo organicheskogo veschestva chernozema vyschelochennogo v usloviyah pochvozaschitnyh tehnologiy // Vestnik KrasGAU. 2017. № 9(132). S. 134–139.
3. Chuprova V.V., Belousov A.A., Edimeichev Yu.F. Vliyanie agrogennyh vozdeystviy na transformaciyu legkomineralizuemogo organicheskogo veschestva v chernozemah Krasnoyarskoy lesostepi // Sibirskiy vestnik sel'skohozyaystvennoy nauki. 2005. № 1(155). S. 3–8.
4. Semenov V.M., Ivannikova L.A., Semenova N.A. i dr. Mineralizaciya organicheskogo veschestva v raznyh po razmeru agregatnyh frakciyah pochvy // Pochvovedenie. 2010. № 2. S. 157–165.
5. Semenova V.M., Lebedeva T.N., Pautova N.B. i dr. Vzaimosvyaz' razmera agregatov, soder¬zhaniya dispersnogo organicheskogo veschestva i razlozheniya rastitel'nyh ostatkov v pochve // Pochvovedenie. 2020. № 4. S. 430–443.
6. Semenov V.M., Ivannikova L.A., Kuznecova T.V. Laboratornaya diagnostika biologicheskogo kachestva organicheskogo veschestva pochvy // Metody issledovaniy organicheskogo veschestva pochv. Vladimir: VNIPTIOU, 2005. S. 214–230.
7. Semenov V.M., Zhuravlev N.S., Tulina A.S. Mineralization of organic matter in gray forest soil and typical chernozem with degraded structure due to physical impacts // Eurasian Soil Science. 2015. T. 48. № 10. P. 1136–1148.
8. Semenov V.M., Kogut B.M., Zinyakova N.B. i dr. Biologicheski aktivnoe organicheskoe veschestvo v pochvah evropeyskoy chasti Rossii // Pochvovedenie. 2018. № 4. S. 457–472.
9. Semenov V.M., Lebedeva T.N., Pautova N.B. Dispersnoe organicheskoe veschestvo v neobrabatyvaemyh i pahotnyh pochvah // Pochvovedenie. 2019. № 4. S. 440–450.
10. Semenov V.M., Pautova N.B., Lebedeva T.N. i dr. Razlozhenie rastitel'nyh ostatkov i formirovanie aktivnogo organicheskogo veschestva v pochve inkubacionnyh eksperimentov // Pochvovedenie. 2019. № 10. S. 1172–1184.
11. Vorob'eva L.A. Teoriya i praktika himicheskogo analiza pochv. M.: GEOS, 2006. 400 s.
