Influence of primary soil cultivation methods and systems on the dynamics of humus in drained soil

Full Text

Обработка почвы во-многом определяет современный уровень экономической, экологической и технологической эффективности земледелия. [5, 7, 11] В ее задачи входит повышение плодородия почв, регулирование их водно-воздушного режима, устранение избыточного увлажнения, накопление, сохранение и рациональное использование почвенной влаги, создание благоприятных условий для своевременного посева культур. [9, 10] Важный аспект – улучшение фитосанитарного состояния полей: уменьшение засоренности посевов и пахотного слоя почвы семенами и вегетативными органами сорных растений; подавление болезней и вредителей сельскохозяйственных культур; повышение эффективности органических и минеральных удобрений. [1, 12] Адаптивно организованная система обработки почвы должна соответствовать почвенно-климатическим условиям и зональным особенностям основных типов ландшафтов, способствовать устранению факторов, лимитирующих уровень продуктивности сельскохозяйственных культур. [4] На осушаемых землях важную роль в таких системах выполняют агромелиоративные приемы (АП). Их применение направлено на усиление осушающего действия дренажа, устранение причин, вызывающих нарушение водно-воздушного режима из-за избыточного увлажнения, улучшение температурного режима почвы, влагообеспеченности растений в засушливые периоды. [3, 13, 15] Агроэкологическая эффективность приемов и систем обработки почвы тесно связана с проблемой сохранения почвенного плодородия (содержание гумуса). [2, 14]

На осушаемых землях основной прием традиционной системы обработки – обычная вспашка, в полевых севооборотах рекомендуется отвальная система с элементами безотвальной и мелкой обработки почвы. [5] Из АП наибольшего внимания, как показали наши исследования, заслуживают гребнистая вспашка в системе зяблевой подготовки почвы под ранние яровые культуры, глубокое мелиоративное рыхление (МР), щелевание, комбинированные ресурсосберегающие системы в севооборотах с агромелиоративными приемами. [6, 8] Они вносят изменения в динамику агрофизических, агрохимических и биологических процессов в почве, оказывают влияние на скорость и направленность трансформации органического вещества.

Цель работы – изучить влияние отдельных приемов и систем обработки на динамику гумуса в полевых севооборотах на осушаемой почве.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследования проводили в Тверской области на трех объектах мелиорации (Терехово, Кузьминское болото-2, Губино). В пяти полевых опытах изучали приемы углубления пахотного слоя и минимизации обработки почвы, агромелиорации (мелиоративное рыхление и щелевание), системы агромелиоративной и разноглубинной обработки в севооборотах. Характеристика пахотного слоя опытных участков приведена в таблице 1.

Таблица 1. Основные параметры пахотного слоя почвы опытных участков

Примечание. Глубина заложения дрен – 0,9…1,1 м; мощность гумусового слоя в опытах 1…4 – 20…22 см, 5 – 25…27 см; содержание гумуса в подпахотном слое: в опыте 1 (20…30 см) – 1,21%, в слое 20…40 см: 2 – 0,57…0,70% , 3 – 0,57…0,58, 4 – 0,39…0,72, 5 – 1,20%.

В первом опыте рассмотрено четыре способа основной обработки: вспашка на 20…22 см (контроль); вспашка плугом с почвоуглублительными вырезными корпусами на 30…32 см; безотвальное рыхление, 30…32 см; дискование, 8…10 см. Для каждого варианта был развернут плодосменный севооборот: однолетние травы, озимая рожь, картофель, ячмень.

Во втором сравнивали системы разноглубинной обработки почвы (10 вариантов), смоделированные с участием приемов углубления корнеобитаемого слоя и четырех глубин: 10…12, 20…22, 28…32 и 40…45 см. Глубину обработки почвы увеличивали под первую культуру севооборота с рыхлением подпахотного слоя без активного примешивания его к пахотному, путем разовой припашки 8 см подпахотного слоя с двойным оборотом пласта и внесением органических удобрений в вовлеченный в обработку слой почвы и специальной трехъярусной вспашки (40…45 см) со сменой местами подзолистого и иллювиального горизонтов. Рыхление подпахотного слоя на глубину 30…32 см осуществляли плугом с вырезными корпусами, мелкую обработку – лемешным лущильником, среднюю и глубокую вспашку – обычным плугом ПН-3-35 и трехъярусным – ПТН-40.

Опыты с МР (третий и четвертый) проводили на двух объектах мелиорации с разными почвами. Способ мелиоративного рыхления полосной (ленточный) на глубину 50…60 см, шаг – 140 см. В третьем опыте МР изучали в прямом действии и последействии на второй-шестой годы после его проведения в паровом поле севооборота, в четвертом – один раз в два-три года под однолетние травы (мелиоративно-паровое поле), картофель, ячмень. Исследования в опытах два-четыре осуществляли в полевых плодосменных севооборотах.

В пятом опыте изучали объемное щелевание и системы основной агромелиоративной обработки почвы: традиционная (отвальная), гребневая, комбинированная, традиционная с щелеванием, минимальная с щелеванием. Объемное щелевание проходило поперек расположения дрен специально разработанным орудием, позволяющим формировать щели шириной 16 см и заполнять нижнюю их часть стерней и измельченной соломой озимой ржи в смеси с гумусовым слоем (патенты на устройства для объемного щелевания: № 132302 от 20.09.2013 г. и № 153090 от 08.06.2015 г.). Глубина щелевания – 45…50 см, шаг – 140 см. Для гребнистой вспашки был переоборудован четырехкорпусный навесной плуг ПН-4-35. Ширина гребней в основании – 70 см, высота – 22…25 см. Щелевание изучали в прямом действии (2014–2015 годы) и последействии на второй-восьмой год после проведения (2016–2022). Исследования вели в звеньях севооборотов: рапс яровой – овес (2015–2018) и овес с подсевом трав – многолетние травы первого-третьего года пользования (2019–2022).

Органическое вещество в почву поступало в виде удобрений, соломы, растительных остатков от выращиваемых культур (многолетние травы). В опытах 1…4 органические удобрения (торфонавозный компост) вносили из расчета 10…15 т/га севооборотной площади (в паровом поле и под картофель), минеральные – 215…240 кг/га в действующем веществе. В пятом опыте применяли только минеральные удобрения (N_50–60Р_50–60К_50–60), позволяющие получать 3…4 т/га зерна.

Повторность – трех-четырехкратная. Варианты размещали перпендикулярно дренам. Учет урожая проводили сноповым и сплошным способом уборки, площадь делянки – 50…80 м². Агротехника культур общепринятая, за исключением изучаемых приемов и систем обработки почвы.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Установлено положительное влияние приемов углубления пахотного слоя, минимизации и агромелиорации на агрофизическое состояние почв, плотность сложения пахотного и подпахотного слоев, водопроницаемость, влагообеспеченность растений, состояние посевов и их продуктивность. Наиболее отзывчивые на углубление корнеобитаемого слоя почвы – озимые зерновые культуры в паровом звене севооборота. Однолетние бобово-злаковые травы, картофель, овес и ячмень практически не реагировали на глубокую обработку почвы. Лучшие результаты по урожайности были получены в вариантах вспашки плугом с вырезными корпусами (ВК) на глубину 30…32 см и трехъярусной – 40…45 см.

Мелиоративное рыхление, в среднем по двум опытам, повышало урожайность однолетних трав на 13,7%, зерновых культур – 11,3…15,5, картофеля – 15,6, многолетних трав – 12,0%. Объемное щелевание почвы, в среднем за пять лет, повысило урожайность овса на 0,46…0,60 т/га (13,7…20,0%). Его устойчивый прирост был получен при гребневой системе обработки почвы (без щелевания), прибавка составила 0,36 т/га (12,0%). При совместном действии щелевания и гребнистой вспашки урожайность овса, по сравнению с контролем, увеличилась на 0,82 т/га (27,3%). Долевое участие щелевания в суммарной пятилетней прибавке урожая – 73,2%, гребнистой вспашки – 26,8%.

В отличие от глубоких обработок, длительная мелкая приводила к расслоению пахотного слоя по агрофизическим критериям, ухудшению водно-воздушного режима в корнеобитаемом слое почвы, снижению водопроницаемости почвы, увеличению засоренности посевов и уменьшению их продуктивности. Кратковременная замена вспашки поверхностной обработкой или безотвальным рыхлением возможна и экономически оправдана в звене севооборота горохо-овсяная смесь – озимая рожь, только под одну из этих культур.

Во всех проведенных опытах общий баланс гумуса в севооборотах был положительным. Влияние обработки почвы на его динамику определяли способами и глубиной, интенсивностью воздействия на агрофизическое состояние пахотного и подпахотного слоев.

В первых двух опытах наиболее существенная трансформация в балансе гумуса была связана с увеличением обрабатываемого слоя, приемами обработки почвы, вызывающими перераспределение гумуса между пахотным и подпахотным слоями почвы при их частичном механическом перемешивании. При этом глубокие обработки снижали содержание гумуса в пахотном слое и повышали его в подпахотном. В первом опыте, при общем положительном балансе гумуса в севообороте, максимальное его увеличение в пахотном слое за семь лет произошло в контроле – на 0,64% (до 2,44%) и с дискованием – 0,58 (до 2,38), наименьшее – при вспашке плугом с ВК – 0,24 (до 2,04) и безотвальным рыхлением – 0,36% (до 2,16%). По окончании опыта в вариантах с глубокой обработкой содержание гумуса в пахотном слое было меньше контроля на 0,28…0,40%, а в слое 20…30 см, наоборот, на 0,39…0,77% больше. Длительная вспашка плугом с ВК привела к созданию практически гомогенного по содержанию гумуса тридцатисантиметрового обрабатываемого слоя. При безотвальном рыхлении изменения были менее значительными. Мелкая обработка почвы, при отсутствии оборота пласта и поверхностной заделке растительных остатков и органических удобрений, привела к расслоению пахотного слоя – увеличению содержания гумуса в слое 0…10 см до 2,63% и уменьшению в нижней –1,18%. По общему содержанию гумуса в слое 0…30 см различия между вариантами обработки почвы были незначительными – в контроле 2,03%, при вспашке плугом с ВК – 2,02, с безотвальным рыхлением – 1,97, при мелкой обработке – 1,98%.

В опыте с разноглубинными системами обработки почвы наиболее существенную трансформацию баланса гумуса как в пахотном, так и подпахотном слоях почвы, также наблюдали в вариантах с углублением пахотного слоя. Динамика гумуса в слое 0…20 см по основным вариантам опыта приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Динамика гумуса (%) в полевом севообороте при разных системах обработки почвы, пахотный слой: 1 – традиционная (20…22 см) – контроль, 3 – разноглубинная (1, 7 – 20…22 см; 2, 3, 4, 8 – 10…12 см), 4 – глубокая плугом с ВК, 6 – глубокая, 28…30 см, 10 – традиционная с трехъярусной вспашкой под первую культуру севооборота.

После первых глубоких обработок (под однолетние травы) содержание гумуса в слое 0…20 см, вследствие перемешивания его с нижними горизонтами, упало с 1,81 до 1,35…1,55%, при вспашке плугом с ВК – 0,26, в варианте с двойным оборотом пласта – на 0,36 и при трехъярусной вспашке – на 0,46%. Далее по севообороту (после перестройки профиля почвы) более интенсивное накопление гумуса наблюдали в вариантах с глубокими обработками. К концу ротации севооборота (по отношению к однолетним травам) содержание гумуса в вариантах с трехъярусной вспашкой и плугом с ВК увеличилось на 0,62%, при вспашке на 28…30 см – на 0,50%, в контроле оно за этот период изменилось на 0,43%. Общий баланс гумуса в севообороте во всех вариантах опыта был положительным. За ротацию севооборота содержание гумуса, в зависимости от вариантов обработки почвы, по сравнению к исходному, увеличилось на 0,14…0,40%. При вспашке плугом с ВК в пахотном слое по окончании ротации севооборота оно составило 2,17%, с двойным оборотом пласта – 1,95, при трехъярусной – 1,97 и в контроле – 2,21%. Некоторое преимущество обычной вспашки связано с отсутствием механического перемешивания пахотного слоя с подпахотным. Накопление гумуса из-за более интенсивной гумификации органического вещества активнее протекало в вариантах с глубокими обработками.

В подпахотном слое при глубоких обработках содержание гумуса увеличилось из-за перемешивания слоев почвы на 0,11…0,30% к концу ротации, благодаря лучшей гумификации органического вещества – 0,78…0,82% (контроль – 0,41%).

Более объективное представление о влиянии приемов углубления пахотного слоя почвы на баланс гумуса дали наблюдения за его динамикой в слое 0…40 см, в том числе по количественным запасам. За ротацию севооборота содержание гумуса в нем по вариантам опыта выросло на 0,41…0,63% (22,6…33,9 т/га). Наиболее значительным это увеличение было со вспашкой плугом с ВК и трехъярусной вспашкой. За ротацию севооборота масса гумуса стала больше, по сравнению с контролем на 4,9…11,3 т/га (21,7…50,0%) (рис. 2).

Рис. 2. Влияние севооборота и систем основной обработки на массу гумуса в почве, слой 0…40 см.

Положительное влияние глубоких обработок на запасы гумуса объясняется увеличением продуктивности культур, количества растительных остатков, благоприятными агрофизическими условиями для гумификации. При этом радикальное изменение глубины пахотного слоя почвы методом разовой припашки значительной массы подпахотного, при двойном обороте пласта, не привело к росту запасов гумуса, по сравнению с контролем. Замена вспашки на 20…22 см лемешным лущением на 10…12 см изменяла динамику в лучшую сторону, но незначительно.

Таким образом, для сформированных на закарбоначенной морене почвах, вовлечение в обработку слабоокультуренных подпахотных горизонтов их рыхлением без интенсивного разового примешивания к пахотному слою почвы, или смены местами почвенных горизонтов, можно рассматривать в качестве способов более активного накопления гумуса.

Из изучаемых приемов обработки наиболее интенсивное физическое воздействие на почву оказывало мелиоративное рыхление (МР). Свое положительное влияние на урожайность культур оно сохраняет более двух-трех лет. Баланс гумуса в севооборотах с МР в обоих опытах был положительным. Содержание гумуса в пахотном слое за восемь лет, по отношению к исходному состоянию, увеличилось на 0,94…1,16%. В вариантах с МР дополнительное накопление гумуса за ротацию севооборота, по сравнению с контролем, составило 0,14…0,22% (14,9…23,0% относительно прироста). Динамика гумуса в севообороте по вариантам приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Динамика гумуса в полевом севообороте с мелиоративным рыхлением почвы.

Масса гумуса в пахотном слое при одноразовом проведении МР почвы выросла на 5,6 т/га. Положительные изменения в балансе гумуса связаны с увеличением количества растительных остатков, поступающих в почву, и благоприятными условиями для гумификации органического вещества (улучшение водно-воздушного режима). За шесть лет (без учета пласта трав) в варианте с МР в пахотный слой поступило 26,8 т/га растительных остатков, на 19,3% больше, по сравнению с контролем, после многолетних трав – 44,5%.

В подпахотном слое почвы баланс гумуса во всех вариантах опыта также был положительным, но изменения в его содержании были менее значительными, чем в пахотном. С одноразовым МР содержание гумуса за ротацию практически не увеличилось (+0,02%), в контроле – на 0,16% (4,8 т/га). В отличие от пахотного слоя, в подпахотном (вариант с МР) к концу ротации севооборота количество гумуса, по сравнению с контролем, уменьшилось на 2,4…3,6 т/га. Это объясняется частичным перемещением гуминовых веществ при МР в более глубокие слои почвы (40…60 см), затрагиваемые обработкой в процессе рыхления. Определение гумуса в слое 0…40 см показало, что в конце ротации севооборота (после многолетних трав) его запасы по вариантам опыта были близкими (контроль – 112,6 т/га, с одноразовым МР – 113,4, ежегодным МР – 111,2 т/га).

Во втором опыте, в условиях сложного почвенного покрова и интенсивного севооборота, мелиоративное рыхление делало баланс гумуса в пахотном слое более напряженным. За 10 лет исследований (после осушения) в контроле средневзвешенное по опытному участку содержание гумуса увеличилось на 0,12% (с 2,48 до 2,60), при мелиоративном рыхлении – 0,05 (с 2,90 до 2,95%). Наиболее значительные изменения при МР произошли в глеевой почве. При отрицательном балансе гумуса, снижение его содержания в контроле составило 0,23, при МР – 0,65%. В слабооглеенной почве баланс гумуса в обоих вариантах был положительным, но при мелиоративном рыхлении его количество увеличилось на 0,22, в контроле – 0,38%. В глееватой почве изменения были наименее значительными как во времени, так и по вариантам опыта (табл. 2). Установлено, что МР усиливает подкисление почвы и улучшает качественный состав гумуса. Соотношение свободных гуминовых и фульвокислот в пахотном слое увеличилось на 0,06…0,16 пункта: в слабооглеенной почве с 1,06 до 1,12, в глееватой с 0,74 до 0,86 и глеевой с 0,57 до 0,73. Наблюдается та же зависимость, что и у почвенных вариантов – улучшение водно-воздушного режима способствует росту количества гуминовых кислот и улучшению их соотношения с фульвокислотами.

Таблица 2. Влияние мелиоративного рыхления на количественные и качественные параметры гумуса в осушаемой почве

Таким образом, в полевых плодосменных и зернотравяных севооборотах с легкосуглинистыми глееватыми почвами на закарбоначенной морене, при положительном общем балансе органического вещества, применение МР способствует накоплению гумуса в пахотном слое почвы (0…20 см), усиливает напряженность в балансе органического вещества в подпахотном (20…40 см) и не вызывает негативных изменений в слое 0…40 см. В севооборотах на легкосуглинистых и супесчаных глееватых почвах, сформировавшихся на слабомощных двучленах и морене, применение МР может более интенсивно подкислять почву, усиливать напряженность в балансе органического вещества пахотного слоя.

С объемным щелеванием и осенним гребневанием почвы, в отличие от других опытов, баланс гумуса формировался без участия органических удобрений. В этих условиях в пахотном слое (0…20 см) при традиционной системе обработки почвы он был отрицательным – в контроле содержание гумуса за семь лет (2015–2022) снизилось на 0,16%, с щелеванием – 0,02%. В варианте с гребневой системой обработки почвы баланс гумуса был положительным (рис. 4). В слое 0…20 см его содержание повысилось на 0,07…0,12%, преимущество гребневой системы по пахотному слою, по отношению к традиционной, составило 0,23…0,28%. Более устойчивые изменения в содержании гумуса (0…20 см) отмечены с комбинированной (гребневание + щелевание) и минимальной (дискование + щелевание) системами основной обработки почвы. В первом случае содержание гумуса за семь лет увеличилось на 0,16…0,21, втором – 0,30…0,32%.

Рис. 4. Влияние разных систем обработки на содержание гумуса в осушаемой почве.

В слоях 0…40 и 20…40 см баланс гумуса был положительным во всех вариантах опыта. В подпахотном слое почвы содержание гумуса в контроле увеличилось на 0,67% (с 1,20 до 1,87%), 0…40 см – 0,25% (с 1,98 до 2,23%). При гребневой системе в подпахотном слое почвы изменения были аналогичными (рост на 0,70%). В слое 0…40 см содержание гумуса при гребневой системе из-за пахотного слоя выросло на 0,39…0,41%, это на 0,14…0,16% больше, чем в контроле.

Объемное щелевание также положительно повлияло на процесс накопления гумуса в почве. С щелеванием и обычной вспашкой гумуса в слое 0…20 см стало больше на 0,14…0,16%, в системе с гребнистой – 0,04…0,14%. В слое 20…40 см объемное щелевание, в среднем по трем вариантам, в прямом действии (2014–2015 годы) увеличивало содержание гумуса на 0,38% (с 1,20 до 1,58), в последействии (2015–2022) – 0,50 (с 1,58 до 2,08%). По отношению к исходному состоянию (2014 год) содержание гумуса в слое 20…40 см к концу опыта увеличилось на 0,88%, что на 0,20% больше, чем без щелевания. В слое 0…40 см объемное щелевание, в среднем по трем вариантам, повысило его в прямом действии на 0,18% (с 1,98 до 2,17) и в последействии – 0,33 (до 2,50%). Содержание гумуса в слое 0…40 см при объемном щелевании за время проведения опыта увеличилось на 0,52%, это на 0,19% больше.

Таким образом, применение гребневой системы обработки и объемного щелевания почвы создает, по сравнению с традиционной, благоприятные условия для сохранения запасов гумуса и их накопления в осушаемых глееватых почвах из-за улучшения агрофизического состояния почвы и условий гумификации органического вещества.

Обработка почвы – важное технологическое звено систем земледелия, определяющее процесс воспроизводства почвенного плодородия и условия формирования бездефицитного баланса гумуса. Приемы и системы обработки почвы существенно различаются по своему влиянию на скорость и направленность динамики гумуса в севооборотах. Это необходимо учитывать при разработке программ воспроизводства плодородия почв и сохранения органического вещества.

About the authors

Yu. I. Mitrofanov

Author for correspondence.
Email: 2016vniimz-noo@list.ru

PhD in Agricultural Sciences

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Humus dynamics (%) in field crop rotation under different tillage systems, arable layer: 1 - traditional (20...22 cm) - control, 3 - multi-depth (1, 7 - 20...22 cm; 2, 3, 4, 8 - 10...12 cm), 4 - deep plow with VC, 6 - deep, 28...30 cm, 10 - traditional with three-tier plowing under the first crop of crop rotation.

Download (106KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Effect of crop rotation and main tillage systems on humus mass in soil, layer 0...40 cm.

Download (123KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Humus dynamics in field crop rotation with ameliorative soil loosening.

Download (147KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. Effect of different tillage systems on humus content in drained soil.

Download (247KB)

Indexing metadata