Введение. Органическое вещество выступает неотъемлемой частью почвы, которая определяет основные показатели потенциального плодородия пахотных земель. Его высокое содержание увеличивает способность почвы противостоять неблагоприятным климатическим условиям, увеличивает эрозионную стойкость и др. [1].
Почвенные структурные отдельности накапливают в своем составе углерод в органической форме, который обеспечивает их стойкость и размер фракции [2].
Ученые неоднократно отмечали высокую зависимость структуры почвы, количества агрономически ценных агрегатов от содержания в них органического углерода [3, 4, 5]. В зависимости от размера почвенных фракции в них с разной интенсивностью протекают биохимические процессы, в частности минерализация и гумификация органического вещества [2, 5, 6]. В результате глобального круговорота углерода его содержание в почве может существенно изменяться из-за деградации структуры гумусовых горизонтов и разрушения макроагрегатов. Снижение запасов органического углерода в почве приводит к ухудшению структуры почвы. Увеличивается доля глыбистой фракции и снижается количество агрономически ценных агрегатов, уменьшается их водопрочность и пористость [7].
В последние годы для повышения продуктивности пашни товаропроизводители увеличивают объемы применения минеральных удобрений, которые не всегда научно обоснованны, и отказываются от использования органических [8, 9]. Это приводит к усилению биологической активности почвенной микрофлоры, активизации процесса минерализации и снижению содержания органического вещества в пахотных почвах региона [10, 11].
Цель исследования – установить влияние использования минеральных удобрений на содержание и запасы органического углерода в различных структурных отдельностях чернозема выщелоченного.
Условия, материалы и методы. Работу выполняли на опытном поле ГАУ Северного Зауралья, расположенном в условиях лесостепной зоны Зауралья, в севообороте со следующим чередованием культур однолетние травы ‒ яровая пшеница ‒ овес. Схема стационарного полевого опыта, продолжающегося с 1995 г., предусматривала изучение следующих вариантов: без удобрений (контроль); систематическое применение NPK в расчете на получение урожая зерна пшеницы и овса 3,0, 4,0, 5,0 и 6,0 т/га. Агротехнические мероприятия использовали рекомендованные для лесостепной почвенно-климатической зоны и проводили в установленные нормами сроки. Осенью после уборки предшественника проводили основную отвальную обработку почвы на глубину 20…22 см, весной ‒ боронование в два следа БЗСС-1,0. Перед посевом врезали расчетные дозы удобрений сеялкой СЗ-3,6 и культивировали КПС-4 на глубину 6…8 см, затем высевали сеялкой СЗМ-5,4 и прикатывали кольчато-шпоровыми катками. Уборку проводили комбайном Terrion. Более подробно агротехнические мероприятия описаны в ранее опубликованной работе[12].
Опыт заложен в четырехкратной повторности. Летом (первая декада августа) 2022 г. проводили отбор проб почвы (по 3 кг) из пахотного слоя (0…30 см) в трехкратной повторности. В дальнейшем образцы подвергали сухому просеиванию для определения структурно-агрегатного состава и из каждого образца отдельно отбирали для анализа агрегаты размером > 10; 10…3; 3…1; 1…0,25; < 0,25 мм. Сформированные образцы размерных фракции подвергали пробоподготовке и определяли содержание общего углерода на приборе VarioMacro СN в Центре коллективного пользования «Рациональное природопользование и физико-химические исследования» и Лаборатории экологических исследований ТюмГУ. В связи с тем, что реакция на вскипание карбонатов от применения HCl была отрицательной, весь находимый в образцах углерод относили к органическому.
Результаты и обсуждения. Количество фракции размером > 10 мм, не представляющей агрономической ценности, в варианте без применения минеральных удобрений достигало 21,0 % (табл.1). Систематическое использование удобрений в дозах, рассчитанных на получения 3,0 и 4,0 т/га зерна, благоприятно сказывалось на структуре почвы ‒ количество глыбистой фракции уменьшалось на 3,6…3,8 %, относительно контроля, что выше диапазона неопределенности (НСР05=1,2 %). Более высокий уровень питания (NPK в расчете на урожайность 5,0 и 6,0 т/га) не сказывался на количестве структурных отдельностей размером более 10 мм ‒ их содержание было на уровне контрольного варианта.
Содержание агрегатов размером 10…3 мм в контроле составляло 30,1 %, а в вариантах со средним уровнем питания (NPK на 3,0 и 4,0 т/га) повышалось на 2,3 и 3,8 %, относительно контроля. Достоверных различий в количестве почвенных агрегатов этого размера при использовании повышенных доз минеральных удобрений (NPK на 5,0 и 6,0 т/га), в сравнении с контролем, не отмечено (НСР05=1,7 %).
|
Таблица 1 – Влияние минеральных удобрений на распределение почвенных агрегатов в пахотном слое (0…30 см), % |
|||||
|
Вариант |
Агрегаты, мм |
||||
|
> 10 |
10…3 |
3…1 |
1…0,25 |
< 0,25 |
|
|
Контроль |
21,0 |
30,1 |
20,5 |
10,5 |
17,9 |
|
NPK на 3,0 т/га |
17,4 |
32,4 |
25,2 |
10,4 |
14,5 |
|
NPK на 4,0 т/га |
17,2 |
33,9 |
22,5 |
10,8 |
15,7 |
|
NPK на 5,0 т/га |
21,6 |
30,9 |
21,2 |
10,1 |
16,1 |
|
NPK на 6,0 т/га |
20,7 |
28,5 |
20,0 |
11,5 |
19,2 |
|
НСР05 |
1,2 |
1,7 |
2,1 |
1,6 |
1,7 |
Количество агрегатов размером 3…1 мм в варианте с естественным плодородием почвы составляло 20,5 %. Систематическое применение удобрений в расчете на получение урожая 3,0 т/га способствовало повышению доли агрегатов этой размерности на 4,7 % относительно контроля. На повышенном минеральном фоне изменений в содержании этой фракции в почве в сравнении с вариантом без применения удобрений не выявлено (НСР05=2,1 %). Не отмечено существенного влияния длительного использования минеральных удобрений и на содержание в пахотном слое почвы фракции 1…0,25 мм, которое варьировало по вариантам от 10,4 до 11,5 % при НСР05=1,6 %.
Доля пылеватой фракции (< 0,25 мм) в варианте без применения удобрений составляла 17,9 %, при среднем уровне питания (NPK на 3,0 и 4,0 т/га) содержание этой фракции было на 3,4 и 2,2 % ниже, а в вариантах с NPK на 5,0 и 6,0 т/га ‒ на уровне контроля (НСР05=1,7 %).
Коэффициент структурности при возделывании зерновых культур в варианте без использования минеральных удобрений составлял 1,6 ед., при этом отмечена высокая доля глыбистой и пылеватой фракций по отношению к вариантам с использованием минеральных удобрений, что связано с явной нехваткой поступающих растительных остатков [13].
На фоне удобрений коэффициент структурности почвы варьировал в широком диапазоне. При средних уровнях доз минерального питания (NPK на 3,0 и 4,0 т/га зерна) отмечен рост величины этого показателя до 2,0…2,1 ед. Доля глыбистой фракции и пыли при этом пропорционально уменьшалась. Вследствие того, что в этих вариантах в почву поступает намного больше, чем в контроле, растительных остатков с соломой и корнями, это обеспечивает равновесный баланс поступления растительных остатков и их минерализации [14].
Внесение повышенных доз удобрений (NPK на 5,0 и 6,0 т/га зерна) не повлияло на структуру почвы в отличие от средних доз. Происходит это из-за того, что получение высокой урожайности в северной лесостепи определяется множеством факторов и планируемую урожайность выше 4,0 т/га не всегда удается получить. В результате этого количество растительных остатков, поступивших в почву, не может стабилизировать процесс минерализации из-за того, что неизрасходованный азот удобрений усиливает активность микрофлоры почвы [14].
Содержание органического углерода в различных структурных отдельностях, по мнению многих авторов, зависит от типа используемых угодий, агротехнической нагрузки и возделываемых видов сельскохозяйственных культур [15, 16].
В контроле содержание органического углерода (Сорг) в глыбистой фракции составляло 4,77 %, в пылеватой – 4,61 %. В агрономически ценных агрегатах на естественном питательном фоне концентрация углерода изменялась от 4,06 (фракция 1…0,25 мм) до 4,46 % (фракция 10...3 мм) (табл.2).
|
Таблица 2 – Влияние минеральных удобрений на содержание органического углерода в различных фракция почвенных агрегатов, % |
|||||
|
Вариант |
Агрегаты, мм |
||||
|
>10 |
10…3 |
3…1 |
1…0,25 |
<0,25 |
|
|
Контроль |
4,77 |
4,46 |
4,35 |
4,06 |
4,61 |
|
NPK на 3,0 т/га |
4,44 |
4,48 |
4,59 |
4,76 |
4,70 |
|
NPK на 4,0 т/га |
4,21 |
4,33 |
4,10 |
4,78 |
4,80 |
|
NPK на 5,0 т/га |
4,62 |
4,01 |
4,59 |
4,25 |
4,57 |
|
NPK на 6,0 т/га |
3,70 |
4,79 |
4,25 |
4,44 |
4,11 |
|
НСР05 |
0,44 |
0,35 |
0,42 |
0,37 |
0,40 |
В варианте NPK на 3,0 т/га зерна в глыбистой и пылеватой фракциях количество углерода в органической форме существенно не отличалось от неудобренного варианта. Достоверных различий в содержании углерода относительно контроля также не выявлено в частицах размером 10…3 и 3…1 мм. Значительное увеличение содержания углерода отмечено в частицах размером 1…0,25 мм, в которых оно возрастало на 0,70 % относительно неудобренного фона. Увеличение концентрации углерода в этой фракции связано с тем, что процессы разложения растительных остатков и накопление углерода происходят преимущественно в маленьких по размеру структурных отдельностях. В контроле без минеральных удобрений уменьшается поступление растительных остатков, в результате чего потери углерода вследствие минерализации органического вещества происходят преимущественно в малых размерных фракциях [17, 18, 19].
В варианте с внесением NPK на 4,0 т/га зерна отмечено снижение содержание Сорг во фракции размером >10 мм на 0,56 %, при НСР05=0,44 %. Во фракции 1…0,25 мм количество углерода составляло 4,78 %, что выше контроля на 0,72 %, тогда как в других размерных фракциях почвы отличия от контроля не выявлены. Значительное поступление растительных остатков в варианте внесением NPK на 4,0 т/га зерна способствовало улучшению структуры почвы и разрушению глыбистой фракции, а также увеличению количества агрономически ценных агрегатов. Преимущественно накопление углерода в этом варианте происходит в малоразмерной фракции 1…0,25 мм.
В варианте с NPK на 5,0 т/га зерна внесение удобрений, приводило к снижению содержания Сорг во фракции 10…3 мм до 4,01 %, что происходит из-за нестабильного получения планируемой урожайности, это приводит к увеличению содержания азота, усилению микробиологической активности почвы и активизации процесса минерализации преимущественно во фракции от 10 до 3 мм.
Высокий уровень питания (NPK на 6,0 т/га) приводил к уменьшению доли углерода в глыбистой фракции почвы до 3,70 % и в пылевидной фракции (менее 0,25 мм) до 4,11 %, тогда как во фракции 1…0,25 мм содержание углерода повышалось на 0,38 % относительно контроля. Это связано с тем, что вероятность получения планируемой урожайности в этом варианте низкая и содержание неиспользуемого растениями азота выше, чем в других вариантах. Однако, одновременно с этим увеличивается и поступление растительных остатков. В совокупности эти два фактора оказывают влияние на усиление процесса минерализации органического вещества в глыбистой и пылеватой фракциях и накопление углерода в агрегатах размером 1…0,25 мм.
Исходя из массы фракций с единицы площади и содержания в них органического углерода, были рассчитаны общие запасы Сорг в различных структурных отдельностях почвы. Так, в варианте без удобрений в глыбистой фракции (> 10 мм) запасы Сорг в пахотном слое почвы составляли 3000 кг/га (табл. 2). Наибольшие его запасы отмечены во фракции 10…3 мм (4022 кг/га), а наименьшие ‒ во фракции 1…0,25 мм (1277 кг/га). Запасы углерода, сосредоточенные в агрегатах размером 3…1 и < 0,25 мм, составляли 2677 и 2479 кг/га соответственно (табл.3).
При внесении средней дозы удобрений (NPK на 3,0 т/га зерна) запасы углерода в глыбистой и пылеватой фракции были ниже, чем на неудобренном фоне на 22,6 и 17,3 % соответственно. В агрегатах размером от 10 до 3 мм концентрация углерода превышала контроль на 8,3 %. На 29,5 % больше органического углерода было сосредоточено в агрегатах размером от 3 до 1 мм и на 16,5 % ‒ во фракции от 1,0 до 0,25 мм.
|
Таблица 3 – Распределение запасов органического углерода в различных структурах почвенных агрегатов, кг/га |
|||||
|
Вариант |
Агрегаты, мм |
||||
|
> 10 |
10…3 |
3…1 |
1…0,25 |
< 0,25 |
|
|
Контроль |
3000 |
4022 |
2677 |
1277 |
2479 |
|
NPK на 3,0 т/га |
2322 |
4354 |
3468 |
1488 |
2050 |
|
NPK на 4,0 т/га |
2173 |
4397 |
2764 |
1543 |
2263 |
|
NPK на 5,0 т/га |
2996 |
3723 |
2913 |
1293 |
2215 |
|
NPK на 6,0 т/га |
2303 |
4097 |
2549 |
1528 |
2370 |
|
НСР05 |
129 |
211 |
148 |
91 |
119 |
В варианте NPK на 4,0 т/га в глыбистой фракции запасы углерода были на 827 кг/га ниже контроля. Во фракции размером 10…3 мм они составляли 4397 кг/га. Запасы Сорг в агрегатах размером 3…1 мм были на уровне контроля, во фракции почвы размером 1…0,25 мм запасы Сорг превышали контроль на 20,8% и достигали 1543 кг/га, тогда как в пылевидной фракции размером <0,25 мм запасы были ниже на 8,7 %.
В варианте с внесением удобрений в расчете на получение 5,0 т/га зерна существенных различий в запасах Сорг во фракции > 10 мм относительно контроля не отмечено. Во фракции 10…3 мм сосредоточено на 7,4 % меньше углерода, чем в контроле. Во фракции 3…1 мм запасы Сорг были выше контроля на 236 кг/га, а в агрегатах < 0,25 мм ‒ ниже на 264 кг/га.
На максимальном агрофоне запасы Сорг во фракции >10 мм были ниже контроля на 23,2 % и составляли 2303 кг/га. Во фракции размером 1…0,25 мм запасы Сорг были выше естественного агрофона на 19,7 %. В остальных структурных отдельностях существенных отличий в запасах углерода по отношению к контролю не выявлено.
Исходя из расчетов на естественном агрофоне в глыбистой фракции (> 10 мм) сосредоточено до 22,3 % общих запасов органического углерода (рис.2).
Рисунок 2 – Влияние минеральных удобрений на долю запасов органического углерода в структурных отдельностях почвы, %.
В пылеватой фракции сосредоточено углерода около 18,4 % от общего количества. При внесении минеральных удобрений в дозах на получение 3,0 и 4,0 т/га зерна запасы Сорг в глыбистой и пылеватой фракциях снижались до 16,5…17,0 и 15,0…17,2 %, соответственно, а в агрегатах размером от 10 до 0,25 мм ‒ возрастали до 66,2…68,0 %. Внесение повышенных доз удобрений (NPK на 5,0 и 6,0 т/га зерна) снижает долю углерода, сосредоточенного в агрономически ценных агрегатах до 60,3 и 63,6 % соответственно.
Выводы. Длительное сельскохозяйственное использование чернозема выщелоченного без использования минеральных удобрений приводит к ухудшению структуры почвы (Кстр=1,6 ед.). При средних уровнях минерального питания (NPK на 3,0 и 4,0 т/га зерна) отмечен рост величины этого показателя до 2,0…2,1 ед.
Максимальное в опыте содержание органического углерода в контроле без удобрений отмечено во фракциях размером > 10 и < 0,25 мм – соответственно 4,77 и 4,61 %. Наименьшее количество Сорг выявлено в агрегатах размером 1…0,25 мм – 4,06 %. При внесении NPK на 3,0 и 4,0 т/га содержание Сорг в агрономически ценной размерной фракции 1…0,25 мм увеличивается до 4,76…4,78 %, что на 0,70…0,72 % выше контроля. Внесение удобрений на планируемую урожайность 5,0 т/га зерна приводит к потере углерода из агрегатов размером 10…3 мм, где его снижение относительно контроля составляет 0,45 %. На максимальном питательном фоне из-за нестабильного урожая и высоких доз азотных удобрений содержание Сорг в агрегатах >10 и <0,25 мм уменьшается соответственно до 3,70 и 4,11 %.
Запасы Сорг в контроле в агрономически ценных структурных отдельностях составляют 59,3 % от его общего содержания, при этом наибольшее количество углерода сосредоточено в агрегатах 10…3 мм – 4022 кг/га. В глыбистой фракции сосредоточено до 3000 кг/га Сорг, в пылеватой – 2479 кг/га. Средние дозы удобрений способствует увеличению запасов углерода в агрономически ценных агрегатах до 66,2…68,0 %.
