Агрохимия, 2022, № 10, стр. 28-37

ВВЕДЕНИЕ

Почвенное органическое вещество рассматривается как незаменимый биосферный и агропроизводственный ресурс, центральный индикатор качества и здоровья почвы, в значительной степени зависящий от характера и интенсивности сельскохозяйственной деятельности [1, 2].

Согласно современным представлениям, почвенное органическое вещество (ПОВ) представляет собой многокомпонентный, гетерогенный и полифункциональный континуум биомолекул частично или полностью трансформировавшихся остатков биоты, различающихся по размеру, массе, химической структуре [1–4] или, по определению Б.М. Когута и В.М. Семенова, “подсистема почвы, сформировавшаяся из органических веществ и соединений растительного, микробного и животного происхождения, прошедших гумификационные и негумификационные стадии стабилизации” [5]. По степени доступности почвенным микроорганизмам и устойчивости к биодеградации ПОВ условно подразделяется на 2 пула: трудно разлагаемое (устойчивое, консервативное, пассивное) и легко разлагаемое (легкоминерализуемое, лабильное, активное) [6–9].

Бóльшая часть органического углерода в минеральных почвах стабильна, поскольку находится в химически или физически защищенном состоянии, либо в составе гумусовых образований, мало доступных микроорганизмам-редуцентам [7]. Легко трансформируемый углерод почвы представлен компонентами, характеризующимися высокой химической и биологической активностью (свежие растительные остатки, мортмасса, детрит, водорастворимое органическое вещество и др.), что определяет их основополагающую роль в осуществлении агрономических, экологических функций, формировании основных почвенных режимов и свойств. Именно эта часть общего запаса органического вещества в первую очередь изменяется под действием природных и антропогенных факторов [6]. Быстро оборачиваемые, с коротким временем существования компоненты ПОВ наиболее значимы для формирования питательного режима почвы и поддержания микробной активности и являются чувствительными индикаторами ранних изменений количества и качества органического вещества под воздействием природных и антропогенных факторов, в т.ч. под влиянием сельскохозяйственного использования [10, 11]. По мнению Кузнецова [12], в агрономическом отношении наиболее важным является то органическое вещество, которого либо “не видно”, либо “его уже нет”, т.е. постоянно оборачиваемое, легко минерализуемое и поэтому трудно улавливаемое химическими способами. Согласно выводам, изложенным в работах [7, 13], общими запасами ПОВ определяется потенциальное плодородие, а долей легкоразлагаемого (лабильного, подвижного, активного) – эффективное. Поэтому для оценки состояния ПОВ с точки зрения его агроэкологического значения и роли в плодородии почв важно знать не столько валовое содержание С_орг, но и обеспеченность лабильными органическими соединениями.

Фракция легкоминерализуемого ПОВ, определяемая как мортмасса и представленная свежими и полуразложившимися, негумифицированными растительными остатками, как правило, свободная, не стабилизированная и поэтому наиболее доступна микроорганизмам как источник углерода и энергии [14]. Она состоит из остатков растений, почвенной фауны, микробиомассы на разных уровнях трансформации, в биохимическом отношении – из легко разлагаемых (негумусовых) компонентов: углеводов, полисахаридов, белков, органических кислот, аминокислот и других неспецифических соединений, являющихся потенциальными источниками образования гумусовых веществ [9].

В состав водорастворимого органического вещества с размером частиц <0.45 мкм входят в основном простые (аминокислоты, моносахара) и более сложные (аминосахара, фенолы, гуминовые и фульвокислоты) соединения, представляющие наиболее активную часть гумуса и являющиеся важнейшим источником минерализуемых N, P и S и энергии для почвенной биоты [15–17]. Признавая важность и значимость водорастворимого ПОВ в осуществлении агрономических и экологических функций, формировании почвенных режимов и свойств, Д.С. Орлов [18] предложил включить показатель С_в в систему показателей гумусного состояния почв. По данным исследований [19, 20], достоверным параметром оценки разлагаемой части ПОВ является также содержание углерода во фракции, экстрагируемой горячей водой (С_эгв). По данным экспериментальных исследований в длительных опытах [11, 21], установлено, что показатель С_эгв является одним из наиболее чувствительных для обнаружения изменений в ПОВ под влиянием различных сельскохозяйственных практик и наиболее пригоден для характеристики разлагаемой части ПОВ в пахотных почвах. Химический состав фракции С_эгв изучен еще недостаточно, но известно, что она содержит в основном углеводы (40–50%), значительную часть углерода микробной биомассы, биохимически несложные азотсодержащие соединения, представляющие очень легко разлагаемую часть активного органического вещества почв [11, 19, 22]. Высокое соотношение C : N = 5–10 [19] позволяет предположить ее немаловажную роль в обеспечении растений и микрофлоры доступным азотом. В работе [11] рекомендовано использовать С_эгв как интегральный показатель качества ПОВ. По мнению [23], содержание С_эгв может быть индикатором общего плодородия почв.

В сельскохозяйственных почвах при недостатке органических удобрений (навоза) основным средством поддержания уровня ПОВ являются послеуборочные растительные остатки, обеспечивающие оптимизацию содержания и качества органического вещества в почве, регулярное удаление их с поля приводит к отрицательному балансу гумуса [3, 24]. В научной литературе данные об изменениях в содержании и составе ПОВ под влиянием длительного внесения соломы ограничены. Результаты научных исследований и информация об изменениях в содержании и составе органического вещества под влиянием длительного использования соломы в качестве удобрения может быть полезна для прогнозирования динамики содержания ПОВ в агротехнологиях, предусматривающих использование агроприемов, направленных на обогащение почвы растительной биомассой в виде побочной продукции возделываемых культур.

Цель работы – выявить изменения в содержании общего углерода и легкоразлагаемых его фракций в дерново-подзолистой почве (С_в, С_эгв, С_мм), обусловленные длительным внесением соломы зерновых и зернобобовых культур и минеральных удобрений в зернопропашном севообороте, и выявить их связь с урожайностью культур.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проводили в длительном полевом опыте (заложен в 1996–1997 гг. на опытном поле ВНИИОУ) в 5-польном зернопропашном севообороте: озимая пшеница–люпин (на зерно)–картофель–ячмень–однолетние травы (люпин + овес) на дерново-подзолистой супесчаной почве с содержанием в пахотном слое физической глины (<0.01 мм) – 16–17%. Почва до закладки опыта характеризовалась следующими агрохимическими показателями пахотного слоя (0–20 см): рН_KCl 4.6–4.9 ед., подвижный фосфор – 65–79 (по Кирсанову), обменный калий – 83–99 мг/кг почвы (по Кирсанову), С_орг – 0.48–0.51%. Схема опыта включала варианты с внесением минеральных удобрений под каждую культуру (среднегодовая доза N54P51K57, перед посевом), измельченной соломы зерновых и зернобобовых культур (осенью, после уборки зерна) в дозе 3 т/га, а также варианты с сочетанием соломы и минеральных удобрений. Для проведения данного исследования были выбраны следующие варианты: 1 – без удобрений (контроль), 2 – N54P51K57, 3 – N54P51K57 + солома озимой пшеницы, люпина, ячменя – по 3 т/га, 4 – солома озимой пшеницы, люпина, ячменя – по 3 т/га. В вариантах 1 и 2 солому с поля удаляли, оставляли только стерню. Суммарно за 4 ротации севооборота в пахотный слой почвы в вариантах 3 и 4 было внесено соломы 36 т/га. Повторность в опыте во времени двукратная, в пространстве – трехкратная, площадь делянок 42–47 м².

Образцы почвы для проведения анализов отбирали со всех повторений опыта по окончании 4-й ротации севооборота тростевым буром (0–20 см) через 2 нед после уборки зеленой массы однолетних трав, готовили смешанные образцы из 20–30 индивидуальных проб с каждой делянки. Также в качестве эталонов сравнения в эти же сроки были отобраны почвенные образцы с участков многолетней залежи и длительно парующей почвы (0–20 см), расположенных вблизи от пахотной почвы севооборота и являвшихся ее генетическими аналогами. Общее содержание органического углерода (С_орг) определяли методом мокрого “сжигания” c фотометрическим окончанием (λ = 590 нм), углерода, растворимого в холодной воде (С_в) – по Панникову (при соотношении почва : вода = 1 : 5), углерода, экстрагируемого горячей водой (С_эгв) – при 1-часовом кипячении почвенной суспензии (почва : вода = 1 : 5) на водяной бане с обратным холодильником, с последующим определением углерода в отфильтрованных вытяжках (аналогично С_орг, после выпаривания аликвот по методике [25]). Содержание мортмассы определяли по методике, изложенной в работе [26]: выделяли эту фракцию из почвы методом декантации водой, переносили на сито (d = 0.5 мм), промывали дистиллированной водой, высушивали при 60°С и определяли содержание углерода (С_мм) методом “мокрого окисления” с бихроматом калия.

Статистическую обработку данных проводили с использованием однофакторного дисперсионного анализа (p = 0.05) с вычислением средних, НСР₀₅ и использованием критерия Фишера для оценки существенности разности между средними. Построение графиков и расчет коэффициентов корреляции провели с помощью программы Microsoft Excel 2010.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Содержание углерода в сухом веществе соломы зерновых и зернобобовых культур, примененной в опыте, составляло в среднем 40–41%, с каждой ее 1 т в почву поступало 400–410 кг С. За время проведения опыта при заделке соломы суммарно 36 т/га вход углерода составил в среднем 14.6 т/га или 97% от исходных запасов, которые составляли в начале опыта ≈15 т/га в пахотном слое. Установлено, что по окончании 4-й ротации севооборота многократное внесение соломы на фоне применения минеральных удобрений обеспечило положительный баланс углерода, рассчитанный по его прибыли по сравнению с исходным содержанием: +0.067%, в то время как в варианте без удобрений произошло снижение содержания С_орг на 0.048%. Согласно расчетам, накопление органического углерода в пахотном слое дерново-подзолистой почвы за счет использования соломы в опыте составило 54 кг/т. При ежегодном внесении минеральных удобрений баланс гумуса был почти бездефицитным. В залежной почве с доминированием многолетней лугово-злаковой растительности, оставляющей в почве значительное количество корневых остатков, содержание С_орг было самым высоким в этом исследовании – 0.778%, что в 1.37 раза превышало вариант NPK + солома, почва пара характеризовалась минимальным содержанием С_орг – 0.400% (табл. 1).

По данным некоторых исследований, применение минеральных удобрений может повысить содержание C_орг в почве, но только в долгосрочной перспективе и при условии систематического и полного поступления растительных остатков в почву [27, 28]. На супесчаных почвах (опытная станция Askov, Дания) почва, получавшая солому 4, 8 и 12 т/га ежегодно в течение 18 лет, содержала углерода на 12, 21 и 30% больше соответственно, чем при удалении соломы [29].

По данным исследований [27], в пахотной почве накопить значительное количество углерода за счет растительных остатков невозможно. Максимальное накопление углерода в почве при ежегодном внесении соломы в дозах 3.0–9.0 т/га не превышало 0.1–0.3% от массы почвы. По данным [30], применение минеральных удобрений в сочетании с растительными остатками зерновых культур позволяло не только повысить урожайность, но и регулировать баланс углерода в почве. Образование из растительных остатков гумифицированных веществ от 190 до 340 кг/га создавало основу для расширенного воспроизводства гумуса в почве.

Известно, что валовое содержание С_орг в почве является устойчивым, консервативным показателем и изменяется очень медленно, в течение нескольких лет и даже десятилетий, поэтому измерения только общего углерода не всегда могут адекватно отразить изменения качества и соотношения различных фракций ПОВ, происходящие при внесении растительных остатков, особенно если их применяют в невысоких дозах.

Изучение различных пулов и фракций, выделенных физическими и химическими методами, дает более разностороннее представление о составе, структуре и качестве ПОВ, изменяющихся под действием природных и антропогенных факторов, в т.ч. агротехнических приемов и методов, его биологической доступности и степени участия в формировании продуктивности. Органическое вещество, извлекаемое водной вытяжкой (С_в) является одним из основных показателей ближайшей доступности ПОВ для микроорганизмов. Имеется ряд публикаций, свидетельствующих, что содержание водорастворимого органического вещества служит надежным показателем эффективного плодородия ряда типов почв, хорошо отзывается на вносимые минеральные и органические удобрения, коррелирует с урожайностью и биологической активностью почв [15, 16]. Научные публикации об изменениях содержания С_в в пахотных почвах под влиянием внесения соломы очень малочисленны.

Показано, что содержание С_в в варианте без удобрений и при внесении только минеральных удобрений было очень низким: 47.1 и 49.7 мг/кг почвы соответственно (на одном уровне с почвой пара). Наиболее высокой обеспеченностью С_в характеризовался пахотный слой почвы в вариантах с многократной заделкой соломы – 52.3 (на фоне минеральных удобрений) и 54.9 мг/кг (без минеральных удобрений), однако достоверных различий в вариантах опыта не обнаружено. Незначительные изменения содержания С_в после длительного внесения соломы в дерново-подзолистую почву можно объяснить с тем, что внесение соломы в почву при увеличении биологической активности одновременно стимулировало и “производство”, и “потребление” водорастворимых органических соединений, наиболее биологически доступных и быстро утилизируемых почвенной микрофлорой, поэтому чистый эффект в полевых условиях мог быть трудно предсказуемым. В работе [31] показано, что содержание водорастворимого углерода в почве (камбисоли) было значительно увеличено на 34% после 10 лет внесения соломы (в дозе ≈4 т/га ежегодно).

Согласно исследованиям [11], под влиянием практик управления гораздо более заметными были изменения в содержании С_эгв, чем С_орг. Содержание С_эгв в не удобренных почвах длительных опытов, как показано в работе [19], независимо от типа почв и содержания в них общего органического углерода было достаточно близким и не превышало 200 мг/кг почвы. Например, по данным [23], содержание С_эгв в пахотных почвах Сербии (Haplic Chernozem) находилось в интервале от 125 до 226 мг/кг почвы.

Исследованная дерново-подзолистая супесчаная почва характеризовалась низким содержанием С_эгв – 157 мг/кг в контроле без удобрений. При ежегодном внесении минеральных удобрений содержание С_эгв было немного больше контроля – 171 мг/кг, но значимо от него не отличалось. При регулярном внесении соломы без минеральных удобрений было зафиксировано существенно более высокое по сравнению с неудобренным вариантом содержание экстрагируемого горячей водой углерода – 182 мг/кг. Максимальной обеспеченностью этой формой водорастворимого углерода характеризовалась почва при совместном внесении минеральных удобрений и соломы – 206 мг/кг, что в 1.31 и 1.20 раза превышало варианты без удобрений и NPK соответственно. Сопоставимые данные приведены в работе [32]: по результатам длительного полевого опыта, после 45-летнего внесения соломы в сочетании с минеральными удобрениями содержание С_эгв в почве (Eutric Cambisol, sandy loam) повысилось на 17–30% по сравнению с неудобренным контролем. В залежи содержание С_в и С_эгв составило 122 и 363 мг/кг, что было значимо больше (в 2.33 и 1.76 раза) даже в сравнении с вариантом NPK + солома.

Отношение содержания углерода лабильных фракций к валовому С_орг является показателем доли этой фракции в общем содержании органического вещества. Доля экстрагируемого холодной водой углерода менялась в вариантах опыта в достаточно узком диапазоне: 0.92–1.05%, самая высокая величина соотношения С_в : С_орг = 1.57% отмечена в залежной почве (табл. 1).

Соотношение С_эгв : С_орг чаще всего находилось в диапазоне от 1 до 6%, в зависимости от типа почвы, гранулометрического состава, системы удобрения и пр. По результатам исследования [33], в лювисолях (Luvisol) доля С_эгв составляла от 3.5 до 4.8% от общего содержания углерода. В работе [32] сообщали, что отношение С_эгв : С_орг в почвах Чехии составляло 2.58–3.01%. В нашем исследовании получены близкие сопоставимые данные: относительное содержание С_эгв в С_орг изменялось от 3.39 (вариант без удобрений) до 3.63% (вариант NPK + солома), что было показателем улучшения качества ПОВ в результате увеличения в его составе легкоминерализуемых компонентов, источников С, N, P и S для биоты.

Наблюдения за характером многолетней динамики С_в и С_эгв в течение 4-й ротации показали, что систематическое внесение соломы в сочетании со средними дозами минеральных удобрений позволило поддерживать в дерново-подзолистой почве под всеми культурами стабильно более высокий уровень этих показателей по сравнению с контролем без удобрений и вариантом NPK (рис. 1).

Рис. 1.

Динамика содержания С_в (а) и С_эгв (б) в пахотном слое дерново-подзолистой супесчаной почвы в 4-й ротации севооборота.

По мнению [14], в пахотных почвах основным лабильным органическим веществом является внутрипочвенная мортмасса, предшественником которой бывают главным образом растительные остатки возделываемых культур: корне-пожнивные, прижизненный опад. В отличие от природных биоценозов, в агроценозах значительная часть фитомассы ежегодно отчуждается с урожаем, обедняя почву свежим органическим веществом, источником восполнения запасов мортмассы. Восполнить этот запас можно за счет оставления соломы в поле и заделки ее в почву после уборки зерновых и зернобобовых культур.

Установлено, что такие факторы, как длительное внесение минеральных удобрений и соломы, оказывали значительное влияние на запасы мортмассы в пахотном слое почвы. Например, ежегодное внесение минеральных удобрений за счет увеличения урожайности возделываемых культур и фитомассы корне-пожнивных остатков обеспечило увеличение запасов мортмассы в пахотном слое c 2.17 (без удобрений) до 3.08 т/га (на 42%), систематическая запашка соломы зерновых и зернобобовых культур севооборота – до 4.22 т/га (на 94%). Максимальные запасы мортмассы в опыте (5.25 т/га) сформировались при регулярной запашке соломы в сочетании с минеральными удобрениями (рис. 2).

Рис. 2.

Запасы мортмассы в дерново-подзолистой почве севооборота, залежи и пара (слой 0–20 см).

Поскольку биогенные элементы мортмассы хорошо доступны растениям, можно полагать, что увеличение ее запасов значительно улучшает обеспеченность растений элементами питания. В целом в опыте в мортмассе было аккумулировано от 211 до 499 мг/кг углерода, или 4.56–8.80% от общего С_орг. Самая высокая доля этой фракции в составе ПОВ зафиксирована в варианте с комбинированным несением соломы и минеральных удобрений, что свидетельствовало о самых высоких потенциальных возможностях сохранения запасов гумуса и его воспроизводства в почве (табл. 1). Роль соломы в увеличении обеспеченности легкоразлагаемым ПОВ подтверждена в работе [26], где сообщали, что в зерновом севообороте при оставлении сухого вещества растительных остатков с учетом соломы пшеницы в среднем в год 3.87 т/га после 9 лет с начала опыта содержание мортмассы было в 1.57 раза больше, чем в варианте с удалением соломы с поля.

В отсутствии механических обработок и ежегодного отчуждения растительной продукции в почве залежи отмечен значительно более высокий, чем в почве севооборота, уровень запасов мортмассы и содержания С_мм – 14 т/га и 1524 мг/кг соответственно. Длительно парующая почва без поступления свежего органического вещества характеризовалась запасами мортмассы и содержанием С_мм в 1.55 и 2.39 раза более низкими, чем вариант без удобрений (табл. 1).

В работах [34–36] установлено, что количество и процессы разложения мортмассы во многом определяют эффективное плодородие почвы и урожайность сельскохозяйственных культур. Урожайность зеленой массы однолетних трав (люпино-овсяной смеси), завершающей культуры севооборота, в варианте без удобрений составила 68 ц/га (в среднем за 2016–2017 гг.). Многолетнее внесение соломы в комбинации с минеральными удобрениями обеспечило максимальную урожайность трав 141 ц/га, что было существенно больше по сравнению не только с не удобренным вариантом, но и фоном минеральных удобрений (табл. 2).

В настоящем исследовании была сделана попытка найти количественную связь урожайности с содержанием фракций ПОВ. Проведенный корреляционный анализ показал тесные положительные корреляции величины урожайности однолетних трав в опыте с содержанием общего С_орг (r = 0.78) и легкоминерализуемых фракций: С_эгв (r = 0.79), мортмассы (r = 0.69) и С_мм (r = 0.65), что показало важное агрономическое значение этих компонентов ПОВ, фонд которых возрастал при длительном внесении соломы.

В работе [37] также найдена тесная корреляционная зависимость между урожайностью культур в севообороте и содержанием С_эгв в дерново-подзолистой почве Предуралья (r = 0.72–0.84). В исследовании [19] обнаружены линейные зависимости между содержанием С_эгв и урожайностью. Тесная корреляция между содержанием мортмассы и урожайностью яровой пшеницы (r = 0.86–0.90) отмечена в работе [38]. Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что за счет увеличения уровня обеспеченности почвы легкоразлагаемым органическим веществом при длительном регулярном возврате пожнивных растительных остатков можно поддерживать уровень эффективного плодородия дерново-подзолистой почвы на более высоком уровне.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, установлено, что длительная систематическая (в течение 4-х ротаций 5-польного зернопропашного севооборота) заделка соломы зерновых и зернобобовых культур (суммарно 36 т/га) в комбинации со средними дозами минеральных удобрений (в среднем N54P51K57 в год), обеспечила увеличение содержания С_орг в пахотном слое дерново-подзолистой супесчаной почвы на 0.067% (на 13%) по отношению к исходному. Ежегодное внесение минеральных удобрений за счет увеличения урожайности культур и, соответственно, корне-пожнивных остатков позволило сохранить содержание С_орг в пахотном слое на исходном уровне. Дополнительный вход свежего органического вещества, обеспечиваемый возвратом в почву всей незерновой части урожая культур севооборота, в комбинации с минеральными удобрениями способствовал накоплению в почве легкоразлагаемых компонентов ПОВ: С_в – с 47.1 до 52.3 мг/кг, С_эгв – с 157 до 206 мг/кг, С_мм – с 211 до 499 мг/кг, что в пересчете соответствовало повышению величин этих фракций в 1.11, 1.31 и 2.36 раза относительно варианта без удобрений. Увеличение доли фракций С_эгв, С_мм в составе ПОВ свидетельствовало об увеличении обеспеченности почвы активным углеродом, легко доступным для микробиоты. Полученные данные показали существенную роль побочной продукции растениеводства, растительных остатков в повышении обеспеченности пахотных почв легкоразлагаемым органическим веществом, во многом определяющим уровень их эффективного плодородия. Возврат всех послеуборочных остатков зерновых и зернобобовых культур (суммарно 9 т/га за каждую ротацию севооборота) не позволил достичь показателей содержания общего углерода и легкоминерализуемых его компонентов до уровней, характерных для почвы залежи. Содержания всех фракций положительно коррелировали между собой и урожайностью, что подтвердило их немаловажное значение в формировании эффективного плодородия и продуктивности культур.