Россия
УДК 631.445 Генетическая классификация почв
Цель исследования – определить направление изменения гумусного состояния почв залежей лесостепной зоны при их повторном вовлечении в пашню. Исследования проводились в Крас-ноярской лесостепи в течение трех вегетационных сезонов 2015–2017 гг. при смене разнотравно-злаковой залежи на дерновинной стадии агроценозом пшеницы и далее агроценозом горохо-овсяной травосмеси. Отличительной особенностью процесса вовлечения залежи в пашню являлась химическая обработка растений перед распашкой. Исследованиями установлено, что при обработке залежи гербицидами и последующей распашке дерновый горизонт исчезает, количество растительных остатков резко снижается, происходит дифференциация гумусового горизонта на пахотный и подпахотный с разной плотностью сложения, появляются глыбистые и пылеватые агрегаты. Содержание гумуса под многолетней залежью и при ее распашке было высокое и составило 9,4–9,3 %, снижения Сгумуса в первые два года после распашки не обнаружено, но обогащенность гумуса азотом снизилась со среднего до очень низкого уровня. Содержание подвижного гумуса в почве под многолетней залежью было 951 мг/100 г, при распашке залежи оно сократилось до 346 мг/100 г. При этом увеличилась потенциальная эмиссия углекислого газа из агрочернозема – с 5,5 до 18,5 мг СО2 /10 г, которая имела среднюю обратную связь с содержанием Спов (r = 0,56). Установлено, что при интенсивном агротехническом воздействии с применением средств химизации для уничтожения дернового горизонта доля Спов от Сгумуса снижается более чем в 2,8 раза за счет его минерализации.
залежь, строение профиля, чернозем, гумус, водорастворимое органичес¬кое вещество, щелочегидролизуемое органическое вещество, эмиссия углекислого газа
Введение. По данным государственной статистической отчетности на 1 января 2022 г. площадь земель сельскохозяйственного назначения в Красноярском крае составила 39 756,4 тыс. га, или 16,8 % от площади земель всех категорий. Общая площадь залежи в составе сельскохозяйственных угодий составляла в 2020 г. 123,8 тыс. га, а в 2021 г. сократилась до 123,7 тыс. га [1]. Предыдущими исследованиями доказано, что залежи лесостепной зоны Красноярского края имеют огромный потенциал для возобновления их использования в пашне, поскольку постагрогенное восстановление сопровождается повышением почвенного плодородия прямо пропорционально периоду биологической активности территории и составляет от 7 до 15 лет [2]. Согласно рекомендациям [3] для сохранения гумусного состояния почв возврат залежных черноземов в пашню целесообразен для каждой биоклиматической зоны не раньше указанных сроков. Это обусловлено тем, что расходование гумуса и общего азота в результате распашки происходит за срок вдвое меньший. Распашка почв залежей, возобновление агротехнического влияния, активное применение средств химизации, снижение продуктивности и разнообразия растительного покрова приводят к изменению морфологических признаков, гумусного состояния, агрохимических и агрофизических свойств залежных почв, вновь вовлекаемых в пашню [4–6].
Цель исследования – определить направление изменения гумусного состояния почв залежей лесостепной зоны при их повторном вовлечении в пашню.
Объекты и методы. Исследования трансформации гумусного состояния 12-летней залежи до и после ее распашки проводились на территории Красноярской лесостепи. До распашки растительный покров участка исследований являлся разнотравно-злаковой залежью в дерновинной стадии, единично встречалась молодая поросль березы и сосны, что говорит о начальной стадии зарастания лесом. В августе 2015 г. на данной залежи была проведена обработка гербицидами против злаковых и широколистных сорных растений, а в конце августа – культурная вспашка плугом с предплужниками на глубину 25–27 см. Далее в 2016 г. проведена весенняя вспашка на глубину 18–20 см и боронование. Затем посеяна яровая пшеница сорта Новосибирская 15, после уборки пшеницы в третьей декаде августа проведено лущение жнивья. Засушливая и теплая осень 2016 г. позволила провести зяблевую вспашку во второй декаде сентября, после отрастания сорняков. В 2017 г. проведена предпосевная культивация на глубину 5–7 см и боронование, далее посеяна горохо-овсяная смесь.
Характеристика погодных условий вегетационных периодов 2015–2017 гг. показывает, что гидротермический коэффициент за период наблюдений был 1,0–1,1 при среднемноголетней норме 1,3–1,4, однако его амплитуда колебалась в пределах от 0,3 до 1,6. Первая половина вегетации в эти годы была жаркой и засушливой, а вторая половина – теплой и влажной. В целом вегетационные периоды наблюдений 2015–2017 гг. можно охарактеризовать как более теплые и сухие по сравнению со среднемноголетними показателями.
На залежи до и после распашки отбирали смешанные почвенные образцы из слоя 0–20 см в 6-кратной повторности с мая по сентябрь через равные промежутки времени в течение трех вегетационных сезонов. Кроме изучения пространственно-временных изменений гумусного состояния пахотного слоя нами были заложены почвенные разрезы, где в каждом горизонте были отобраны образцы для определения изменений содержания, запасов и характера профильного распределения гумуса под влиянием пашни. Содержание гумуса (Сгумуса) определяли по методу И.В. Тюрина, для извлечения углерода подвижной части гумуса (СNаОН) использовали 0,1 н. гидрооксид натрия, в составе углерода щелочегидролизуемого гумуса выделяли углерод подвижных гуминовых (Сгк) и фульвокислот (Сфк) по методу И.В. Тюрина в модификации В.В. Пономаревой и Т.А. Плотниковой [7]. Потенциальную эмиссию углекислого газа определяли методом Конвея. Статистическую обработку данных проводили методами описательной статистики.
Результаты и их обсуждение. В июне 2015 г. на границе Сухобузимского и Емельяновского района в 6,8 км на юго-восток от с. Талое (координаты: 56.460593, 92.846322), в средней части склона северо-восточной экспозиции крутизной 2° был заложен разрез № 1. В июне 2017 г. после 2 лет обработки залежи рядом с разрезом № 1 был заложен разрез № 2. В разрезах диагностирован чернозем выщелоченный среднемощный тяжелосуглинистый на лессовидном желто-буром карбонатном тяжелом суглинке.
Наличие гумусово-аккумулятивного горизонта в пределах 54–56 см позволяет на видовом уровне диагностировать в разрезах среднемощные черноземы с выраженной комковато-зернистой структурой под многолетней залежью и глыбисто-крупнокомковатой структурой с присутствием пылеватых агрегатов на пашне. Пылеватость здесь обусловлена лессовидным характером материнских пород, многократным воздействием обрабатывающих орудий и отсутствием естественной растительности. При изучении мощности гумусового горизонта в прикопках вокруг основного разреза было установлено, что она изменяется от 43 до 59 см, что также соответствует среднемощному виду. Коэффициент вариации мощности гумусового горизонта – 32 %, это связано с выраженным микрорельефом залежи. Наличие мелкослоистой криогенной текстуры и признаков оглеения (ржаво-охристые пятна) в горизонте Вк обусловлены промерзанием почвы в зимний период.
По содержанию гумуса черноземы выщелоченные высокогумусные (9,2–9,4 %) (рис. 1). С глубиной содержание гумуса снижается до среднего и очень низкого (3,8–1,2 %), что характерно для черноземов Сибири, имеющих высокое содержание гумуса, но укороченный гумусовый профиль [8]. Максимальное содержание общего азота сосредоточено в гумусово-аккумулятивном горизонте. Под многолетней залежью оно составило 0,57 %, с отношением C/N 10,6, что свидетельствует о средней обеспеченности гумуса азотом. После распашки залежи содержание валового азота сократилось до 0,38, а отношение C/N расширилось до 14,3 и перешло в категорию низкой степени обеспеченности гумуса азотом.
Запасы гумуса в слое 0–20 см на залежи очень высокие (204,6 т/га), после распашки – высокие (167,4 т/га). Метровый слой агрочернозема характеризовался высокими запасами гумуса, равными 422,8 т/га на залежи и 413,5 т/га на пашне. Более низкое содержание и запас гумуса при распашке залежи может быть обусловлен разными причинами. Во-первых, характером микрорельефа с микрозападинами, следствием чего является достаточно высокая степень вариабельности мощности гумусового горизонта, при распашке которого происходит
перемешивание с нижележащими слоями.
Во-вторых, единый гумусовый горизонт при распашке дифференцировался на пахотный и подпахотный слои, которые имеют разную плотность сложения. Плотность пахотного слоя составила 0,89 г/см3, подпахотного – 1,0 г/см3, до распашки гумусовый горизонт чернозема имел плотность сложения 1,08–1,12 г/см3.
В-третьих, химическая обработка залежи и дальнейшие многократные перемешивания и культивации привели к исчезновению дернового горизонта и резкому сокращению растительных остатков в гумусовом горизонте, что привело к минерализации как самих остатков, так и части подвижного гумуса. Косвенным доказательством этого процесса является сокращение содержания валового азота в гумусе и расширение показателя C/N.
Для оценки влияния распашки на содержание подвижных гумусовых веществ в черноземе выщелоченном было проведено обследование участков залежи до и после вовлечения в пашню, как в динамике, так и в пространстве. Исследованиями установлено, что при распашке залежи происходит резкое снижение содержания углерода водорастворимого органического вещества и постепенное снижение его пространственного варьирования. Так, среднее содержание СH2O в почве многолетней залежи составляло 46 мг/100 г при коэффициенте варьирования (Cv), равном 36 %. В первые два года распашки содержание СН2О снизилось до 22–18 мг/100 г, варьирование уменьшилось до 28–24 % (табл. 1).
Таблица 1
Содержание углерода гумуса и его подвижных компонентов в слое почвы 0–20 см, мг/100 г
|
Показатель |
Хсред |
Min-max |
Sх |
Сv, % |
|
Многолетняя залежь (2015 г.) |
||||
|
Сгумуса |
5394 |
511–623 |
±2,64 |
15 |
|
СН2О |
46 |
29,5–70,1 |
±0,87 |
36 |
|
СNaОН |
905 |
1401–405 |
±20,4 |
52 |
|
Распаханная залежь (пшеница, 2016 г.) |
||||
|
Сгумуса |
5451 |
496–581 |
±12,9 |
19 |
|
СН2О |
22* |
6,3–21,3 |
±1,29 |
28 |
|
СNaОН |
267* |
234–289 |
±19,7 |
29 |
|
Распаханная залежь (травосмесь, 2017 г.) |
||||
|
Сгумуса |
5336 |
496–581 |
±12,7 |
19 |
|
СН2О |
18* |
8,0–25,6 |
±1,29 |
24 |
|
СNaОН |
385* |
334–489 |
±21,4 |
29 |
|
НСР0,5 |
Сгумуса |
СН2О |
СNaОН |
|
|
69 |
5,7 |
49 |
||
*Различия достоверны; Sх – ошибка средней арифметической; Сv, % – коэффициент вариации.
Рис. 1. Содержание и запасы гумуса в почвенных разрезах
После распашки содержание углерода гумуса (Сгумуса) незначительно снизилось по сравнению с многолетней залежью, но это не имеет статистического подтверждения. Заметно, что при распашке чернозема в первую очередь сокращается содержание углерода в подвижной части гумуса, а общее содержание углерода гумуса имеет лишь небольшой тренд к снижению.
Эти результаты согласуются с данными предыдущих исследований [9–11]. Другими исследованиями установлено, что в первые годы освоения залежи независимо от глубины обработки почв происходит снижение содержания гумуса в 1,4 раза, легкоразлагаемого органического вещества – в 3 раза и повышение относительного содержания подвижного углерода гумуса – с 24 до 26–31 % от Сорг за счет минерализации и частичной гумификации растительных остатков дернового горизонта [12].
Среднее содержание щелочегидролизуемого углерода гумуса в почве многолетней залежи было 905 мг/100 г, варьирование значительное – 36 %, в первый год после распашки залежи в агроценозе пшеницы (2016 г) содержание СNaOH резко снизилось до 267 мг/100 г при Cv = 29 %. Далее при возделывании травосмеси в 2017 г. содержание щелочегидролизуемого углерода гумуса увеличилось до 385 мг/100 г, но все же оставалось значительно ниже по сравнению с залежной почвой. Изученная нами залежь отличалась тем, что перед ее распашкой была проведена гербицидная обработка, это привело к усыханию и отмиранию большинства растений, быстрому и полному разложению растительных остатков дернового горизонта, особенно в теплых и влажных условиях второй половины вегетации и затяжной осени 2015 г. При этом накопления в почве легкоминерализуемого органического вещества к следующему вегетационному сезону 2016 г. не произошло, напротив, оно резко сократилось (рис. 2), содержание гумуса не увеличилось, следовательно, практически весь углерод растительных остатков и большая часть подвижного органического вещества были захвачены минерализационным потоком.
По нашим подсчетам потери углерода только за счет разложения водорастворимого и щелочегидролизуемого органического вещества составили 11,4 кг/га в год. Изменчивость концентрации Спов во времени составила 36–68 % и имела среднюю обратную связь (r = 0,56) с потенциальной эмиссией СО2 из почвы (рис. 3, 4), что доказывает усиление процессов минерализации из-за отклика активности микроорганизмов на аэрацию почвы при обработках, повышение влажности и поступление мортмассы.
Это говорит о высокой биологической активности и подвижности новообразованного гумуса в черноземах. Обработка залежи гербицидами и дальнейшая распашка привели к снижению концентрации углерода водорастворимого в 3,8 раза, углерода щелочегидролизуемого органического вещества в 3,4 раза по отношению к его исходному содержанию. После распашки концентрация подвижного гумуса достигла своего минимума и слабо изменялась с течением времени. Далее при возделывании травосмеси произошло увеличение концентрации подвижных гумусовых веществ: СН2О – с 18 до 26, СNaOH – c 266 до 590 мг/100 г.
Средний запас Спов в почве многолетней залежи составил 20,9 т/га, на пашне – 6,2 т/га (табл. 3).
Рис. 2. Динамика углерода компонентов подвижного гумуса:
водорастворимого гумуса (СН2О), гуминовых (Сгк) и фульвокислот (Сфк), мг/100 г
Рис. 3. Динамика углерода подвижного гумуса (Спов, мг/100 г)
и потенциальной эмиссии СО2, мг/10 г
Рис. 4. Корреляционная зависимость содержания Спов
и потенциальной эмиссии СО2 в черноезме
Таблица 3
Запасы компонентов углерода гумуса в слое 0–20 см, т/га
|
Угодье |
Сгумуса |
СNaОН |
СН2О |
Cпов (СNaOH+СH2O) |
Сстаб. гумуса (Сгум–Спов) |
|
Многолетняя залежь |
118,7 |
19,9 |
1,0 |
20,9 |
97,8 |
|
Распаханная залежь |
96,0 |
5,8 |
0,4 |
6,2 |
90,4 |
Доля щелочегидролизуемого ОВ от Сгумуса в изученном черноземе составляла на залежи 17 %, водорастворимых форм углерода – 1 %, на пашне – 6 и 0,4 % соответственно.
Заключение. При обработке залежи гербицидами и последующей распашке полностью исчезает дерновый горизонт, резко снижается количество корней и прочих растительных остатков, в гумусовом горизонте заметна дифференциация по плотности, появление глыбистой структуры и пылеватых отдельностей.
Общее содержание гумуса под многолетней залежью и при ее распашке высокое и составило 9,4 и 9,3 % соответственно, достоверного снижения Сгумуса в первые два года после распашки не обнаружено, однако обогащенность гумуса азотом снизилась со среднего до очень низкого уровня.
Содержание водорастворимого углерода гумуса в почве под многолетней залежью было 46 мг/100 г, щелочегидролизуемого – 905 мг/100 г. При распашке залежи содержание углерода водорастворимого и щелочегидролизуемого гумуса резко сократилось – в 3,8 и 3,4 раза соответственно.
Доля подвижного гумуса в почве под многолетней залежью была 17 %, при распашке залежи сократилась до 6 %, доля углерода стабильного гумуса – 82 и 94 % соответственно. Следовательно, при интенсивном агротехническом воздействии с применением средств химизации для уничтожения дернового горизонта доля подвижных органических веществ снижается более чем в 2,8 раза за счет их минерализации.
Таким образом, проведенный анализ полученных результатов показывает, что применение гербицидов перед распашкой залежей недопустимо, поскольку ведет к ускорению процессов минерализации подвижных гумусовых соединений и сокращению их пула более чем в 2–3 раза, что в перспективе может привести к деградации почв.
1. Андина В.А., Ковалева Е.В., Чикин Н.В. Анализ динамики состояния и использования сельскохозяйственной категории земель на территории Красноярского края // Вектор ГеоНаук. 2022. № 2. С. 35–40.
2. Шпедт А.А., Трубников Ю.Н. Гумусное состояние и рациональное использование почв залежных земель Приенисейской Сибири // Достижения науки и техники АПК. 2017. № 5. С. 5–8.
3. Шпедт А.А., Чупрова В.В. Рекомендации по освоению залежных земель в Красноярском крае // Вестник КрасГАУ. 2009. № 4. С. 130–134.
4. Сорокина О.А., Токавчук В.В., Рыбакова А.Н. Постагрогенная трансформация серых почв залежи / Краснояр. гос. аграр. ун-т. Крас¬ноярск, 2016. 239 с.
5. Данилов А.Н. Влияние распашки на плодородие агросерой почвы залежи в кате-не // Вестник КрасГАУ. 2019. № 2 (143). С. 180–190.
6. Попков А.П., Сорокина О.А. Влияние повтор¬ного освоения залежей на свойства почв в Красноярской лесостепи // АгроЭкоИнфо. 2023. № 2. С. 1–14. URL: https://agroecoinfo.ru.
7. Агрохимические методы исследования почв. М.: Наука, 1975. 656 с.
8. Бугаков П.С., Чупрова В.В. Агрономическая характеристика почв, земледельческой зоны Красноярского края: учеб. пособие / Краснояр. гос. аграр. ун-т. Красноярск, 1995. 176 с.
9. Когут Б.М., Сысуев С.А., Холодов В.А. Водопрочность и лабильные гумусовые вещества типичного чернозема при разном землепользовании // Почвоведение. 2012. № 5. С. 555–561.
10. Семенов В.М., Когут Б.М. Почвенное органическое вещество. М.: ГЕОС, 2015. 233 с.
11. Колесников С.И., Вальков В.Ф. Биологическая активность чернозема обыкновенного при длительном использовании под пашню // Почвоведение. 2014. № 6. С. 724–733.
12. Влияние способов распашки залежи на подвижность органического вещества светло-серой лесной почвы / Ю.Н. Платонычева [и др.] // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2013. № 4 (35). С. 39–43.
