Агрохимия, 2023, № 1, стр. 3-12

ВВЕДЕНИЕ

Соблюдение научно обоснованного баланса питательных веществ является основой сохранения и повышения плодородия почв [1, 2]. В Нечерноземной зоне России за последние 30 лет складывался отрицательный баланс всех 3-х элементов питания: азота, фосфора и калия [3–5]. При таком положении дел особенно остро встает вопрос о системах удобрения, которые обеспечат бездефицитный или положительный баланс. Учеными ВНИИ агрохимии им. Д.Н. Прянишникова предложено 3 сценария изменения плодородия почв при различной насыщенности удобрениями в России к 2030 г.: инерционный, базовый, оптимистический [6].

По инерционному сценарию (при сохранении современного уровня применения удобрений) баланс азота и калия прогнозируется отрицательным (–17 и –19 кг/га соответственно), что приведет к неминуемому снижению урожайности сельскохозяйственных культур и деградации почвенного плодородия. Базовый сценарий предполагает возмещение выноса азота на 100, фосфора – на 194% при отрицательном балансе калия. Это позволит замедлить темпы деградации почвы и даст возможность получать стабильный урожай. И, наконец, оптимистичный сценарий подразумевает возмещение выноса азота на 100, фосфора – на 220 и калия – на 85%, что позволит повысить плодородие почв, добиться увеличения доли почв со средней и повышенной обеспеченностью фосфором, тем самым увеличивая урожайность культур и качество растениеводческой продукции [6].

Таким образом, одной из основных задач в разработке и выборе оптимальной системы удобрения, является поиск такой, которая бы соответствовала (или максимально приближалась) к оптимистическому сценарию баланса питательных веществ.

При расчете баланса питательных веществ в почве необходимо учитывать тип севооборота, агрохимические показатели почвы, поступление и отчуждение элементов питания, уровень кислотности. Например, известкование, способствуя снижению кислотности почвы и увеличению доступности элементов питания, увеличивает урожайность культур севооборота. Однако вместе с этим возрастает и вынос элементов питания [7–9]. Применение систем удобрения неоднозначно влияет на баланс элементов питания в дерново-подзолистой почве.

Например, в условиях Республики Коми, на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве в кормовом севообороте использование минеральной системы удобрения обеспечило оптимальный баланс азота, фосфора и калия, имея преимущество перед органо-минеральной и органической системами удобрения [10].

В то же время по данным [11], на дерново-подзолистой супесчаной почве в зернопропашном севообороте оптимальные показатели баланса были выявлены при применении органо-минеральной системы удобрения.

Баланс питательных веществ в почве при выращивании той или иной культуры севооборота, как показал ряд работ, также зависит от изменения агрохимических показателей почвы под действием систем удобрения [12–14]. В немаловажной степени он зависит и от того, сколько питательных веществ в почву возвратится с нетоварной частью выращиваемой продукции (с соломой зерновых, ботвой картофеля, поукосно-корневыми остатками однолетних и многолетних трав и т.п.).

Было показано, что в длительном полевом опыте на дерново-подзолистой супесчаной почве возврат с соломой зерновых и зернобобовых культур составил 20–26% азота, 21–34% фосфора и 60–74% калия от общего выноса урожаем [15]. По утверждению работы [16], существует определенная взаимосвязь между величинами содержания элементов питания в почве и их выносом урожаем.

Поскольку вынос – неотъемлемая часть баланса питательных веществ, значит должна существовать связь между балансом и изменением содержания этого элемента питания в пахотном слое почвы.

В связи с этим цель работы – выявить взаимосвязь между величиной баланса питательных веществ и изменением их содержания в пахотном слое дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы в зернотравяном севообороте в условиях стационарного полевого опыта.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Полевой опыт заложен в 2015 г. на участке учебно-опытного поля Вологодской ГМХА им. Н.В. Верещагина. Опыт развернут во времени и пространстве на 3-х полях севооборота, вводимых последовательно, с одинаковым набором культур и системами удобрения.

Почва – дерново-среднеподзолистая, среднеокультуренная, легкосуглинистая на покровных суглинках. В среднем в полях севооборота агрохимические показатели слоя 0–20 см почвы были следующие: кислотность (рН_KCl) 5.1, гидролитическая кислотность – 3.77 ммоль(экв)/100 г (по Каппену), сумма поглощенных оснований – 11.7 ммоль(экв)/100 г (по Каппену–Гильковицу), содержание органического углерода (С_орг) – 1.68%, подвижных фосфора – 273, калия – 132 мг/кг почвы (по Кирсанову), обменного калия (по Масловой) – 171 мг/кг, степень подвижности фосфора и калия (по Скофилду) – 0.64 и 11.2 мг/л соответственно.

Площадь опытных делянок – 100 м², учетная – 80 м², расположение систематическое. Исходя из хозяйственных условий региона исследования (Вологодская обл.), были выбраны следующие культуры, организованные в полевой севооборот: викоовсяная смесь–озимая пшеница–ячмень с подсевом клевера–клевер луговой–овес. Использовали следующие сорта культур: вика посевная сорта Льговская 22, озимая пшеница сорта Московская 56, ячмень яровой сорта Сонет, клевер луговой сорта Дымковский, овес сорта Лев.

Системы удобрения, и дозы внесения питательных элементов за севооборот представлены в табл. 1.

Во всех вариантах вносили одинаковое количество питательных элементов, в варианте 5 – двойную дозу. Из минеральных удобрений применяли N_aa (34.4%), K_х (60%), NPK (N – 15, Р₂O₅ – 15, K₂О – 15%), АЗФК (N – 13, Р₂O₅ – 19, K₂О – 19%).

В качестве органического удобрения использовали навоз КРС на соломенной подстилке, влажностью 75–80% с содержанием: N – 0.27, Р₂O₅ – 0.24, K₂О – 0.45%. Удобрение вносили 1 раз за ротацию под вспашку в занятом пару (под викоовсяную смесь), в дозе 25 и 50 т/га в зависимости от схемы опыта. Известкование проводили также в занятом пару известняковой мукой с содержанием CaCO₃ 98% в дозе по 1.0 Н_г.

Почву на агрохимический анализ отбирали поделяночно, согласно ГОСТ 28168-89 “Почвы. Отбор проб” (с 2020 г. ГОСТ Р 58595-2019). Растительные образцы со всех делянок варианта опыта смешивали и выделяли средний образец для химического анализа. Анализы почвенных образцов проводили в лаборатории агрохимии факультета агрономии и лесного хозяйства, растительных – в аккредитованной лаборатории ГЦАС “Вологодский”. Учет урожайности культур проводили сплошным методом, поделяночно. Соотношение урожаев зерна и соломы определяли в пробных снопах.

Статистическую обработку данных урожайности и агрохимических показателей почвы проводили методом двухфакторного дисперсионного анализа. Для определения взаимосвязи между балансом и изменением агрохимических параметров использовали линейный корреляционный анализ. Все статистические параметры рассчитывали на основании методик, указанных в [17], при помощи МS Office Excel.

Более подробно методика опыта изложена в работах [18, 19].

В среднем, за годы исследования (2015–2020 гг.), ГТК Селянинова вегетационного периода (1 мая–30 сентября) равнялся 1.9. Избыточно увлажненными были 2017, 2019 и 2020 гг., ГТК Селянинова составлял 2.3 и 2.1 и 2.5 соответственно.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты стационарных опытов с удобрениями показывают, что изменения комплекса агрохимических показателей плодородия почвы под действием систем удобрения могут быть значительными [20–22].

Наше исследование показало, что известкование существенно изменило физико-химические свойства и калийный режим почвы и практически не оказало влияния (на статистически достоверном уровне) на фосфатный режим вследствие высокой обеспеченности фосфором почвы до закладки опыта [23].

Известкование снизило кислотность почвы в среднем в опыте по сравнению с первоначальным содержанием на 0.75 ед. pH_KCl или на 0.15 ед. в среднем за год (5-летняя ротация). Изученные системы удобрения, напротив, увеличили кислотность почвы, в среднем за севооборот на 0.2 ед. pH_KCl. Данный факт свидетельствовал о том, что применение минеральных удобрений даже совместно с навозом КРС на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве не способствовало сохранению первоначальной кислотности.

Известкование, равно как и системы удобрения, не смогло существенно изменить количество подвижного фосфора в пахотном слое по сравнению с первоначальным – оно осталось на очень высоком уровне – 265 мг/кг (в среднем в опыте). Также статистически несущественно изменилась и степень подвижности фосфора (по Скофилду), несмотря на то что по сравнению с первоначальным показателем изменение в среднем в опыте составило 0.37 мг/л в сторону уменьшения.

Изменение содержания обменного калия (по Масловой), так же, как и подвижного (по Кирсанову) подчинялось следующей закономерности: на известкованном фоне уменьшение по сравнению с первоначальным уровнем было более заметным, чем на не известкованном. В то же время изменение степени подвижности K₂O (по Скофилду), напротив, увеличилось под действием известкования по сравнению с не известкованным фоном, в среднем в опыте на 3.7 мг/л, а по сравнению с первоначальным уровнем – на 2.5 мг/л. Данный факт скорее всего объясняется тем, что под действием антагонизма ионов Са²⁺ и K⁺ последний переходит в менее стабильное состояние в ППК и вытесняется в почвенный раствор, где становится более доступным растениям, тем самым улучшая их калийное питание.

Изменение указанных в табл. 2 агрохимических показателей под действием систем удобрения было статистически недостоверным. Однако проявлялась тенденция к увеличению всех изученных показателей почвы при использовании органо-минеральной системы удобрения в варианте 5 (навоз 50 т/га + NPK).

Влияние систем удобрения и известкования на урожайность культур севооборота представлено в табл. 3. Применение извести увеличило урожайность всех культур севооборота, прибавка от известкования составляла от 5 до 21%. Максимальную прибавку от известкования отмечали на 3-й год после внесения СаСО₃ для ячменя (21%), минимальную (8%) – на 5-й год для овса. В среднем за севооборот прибавка от снижения кислотности исходно слабокислой почвы составила 10%, при этом эффективность систем удобрения возросла на 15%. Во все годы исследования прибавка урожайности от известкования была статистически достоверной.

Применение систем удобрения на всех культурах севооборота обеспечило статистически достоверную прибавку урожайности. Максимальный ее уровень обеспечило применение органо-минеральной системы удобрения, при сочетании навоза и NPK в полных дозах. Величина прибавки урожайности в данном варианте опыта по отношению к контролю изменялась на фоне известкования от 29 до 90%, а на не известкованном фоне – от 28 до 178%. Наибольшая прибавка урожайности при применении всех изученных систем, за исключением органической, была получена для ячменя.

Стоит отметить, что на слабокислом фоне органическая и минеральная системы удобрения обеспечили получение равной продуктивности севооборота – 42.8 ц з.е./га. В то же время при известковании преимущество имела минеральная система удобрения. Эти данные подтвердили известное положение о том, что известкование уменьшает физиологическую кислотность минеральных удобрений и повышает их эффективность.

Что же касается эффективности органо-минеральной системы, в которой навоз и NPK вносили в половинных дозах, то прибавка к контролю от ее применения в среднем за севооборот составила 33–36%, и по уровню продуктивности она заняла промежуточное положение между органо- минеральной, где навоз и минеральные удобрения вносили в полных дозах и минеральной системой удобрения.

Учитывая тот факт, что изменение агрохимических показателей под действием систем удобрения за 1-ю ротацию севооборота было статистически недостоверным, за исключением кислотности (табл. 2), стоит отметить, что вероятно одной 5-летней ротации зернотравяного севооборота недостаточно для прогнозирования изменения урожайности под действием агрохимических параметров плодородия. Впрочем, общеизвестно, что такие данные могут быть получены только в длительных стационарных полевых опытах. Однако в регионе, где был заложен представленный полевой опыт, подобные эксперименты в данном виде севооборота и на конкретной почве не проводили.

Баланс питательных веществ за ротацию зернотравяного севооборота представлен в табл. 4. Благодаря более высокой урожайности вынос питательных веществ на известкованном фоне был больше, чем на не известкованном. Например, вынос азота, фосфора и калия в среднем в вариантах опыта на известкованном фоне был больше на 12, 14 и 10% соответственно, чем на не известкованном.

В относительном выражении известкование не способствовало более высокому возврату питательных веществ с побочной продукцией и азотфиксацией. Поступление элементов питания с соломой и за счет азотфиксации на фоне известкования по отношению к их выносу составило: азота – 46, фосфора – 32, калия – 49%, на неизвесткованном фоне – 50, 36 и 53% соответственно. Однако следует отметить следующее: в структуре возврата азота с удобрениями, биологической азотфиксацией и соломой доля удобрения на фоне известкования в среднем в опыте составила 21%, доля азотфиксации – 24% от общего выноса, тогда как на фоне без применения извести данные показатели были соответственно равны 29 и 25%. Таким образом, положительное действие извести на накопление биологического азота подтвердилось и при известковании слабокислой почвы.

Применение всех изученных систем удобрения не обеспечило положительный баланс азота в севообороте как на фоне внесения извести, так и в вариантах без ее применения. Положительный баланс фосфора был достигнут только в варианте с органо-минеральной системой удобрения при внесении навоза и минеральных удобрений в полной дозе. Причем следует отметить, что без учета возврата калия и фосфора с соломой зерновых баланс в данном варианте сложился бы отрицательный. Также показано, что при применении полной органо-минеральной системы удобрения 50% поступления азота приходилось не на минеральные удобрения, а на азот, поступающий при распашке клеверного пласта – 26–28% и с соломой – 20–23%.

Таким образом, баланс, близкий к бездефицитному, отмечен при действии сочетания минерального и биологического азота, который не во всех исследованиях берется в расчет, что искажает истинные результаты.

Также за счет возмещения питательных веществ с соломой был достигнут слабоположительный баланс фосфора и калия на не известкованном фоне в вариантах с применением органической системы и органо-минеральной системы, представленной в варианте 4.

Нами была сделана попытка связать изменение содержания питательных элементов в почве с балансом питательных веществ с целью прогнозирования их изменения при том или ином балансе. На рис. 1 представлена зависимость между изменением содержания подвижного калия (по Кирсанову) в почве и балансом K₂О.

Рис. 1.

Корреляция между содержанием в почве подвижного калия (по Кирсанову) и его балансом: Y – изменение содержания подвижного калия, X – баланс K₂О, n = 30.

Коэффициент прямолинейной корреляции между показателями был равен 0.51, что позволило говорить о том, что существует умеренной силы связь между балансом калия и изменением его содержания в почве. При такой связи можно с достаточно условной степенью допущения делать прогноз изменения количества подвижного калия в пахотном слое дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы. Например, для повышения содержания элемента в почве на 10 мг/кг, баланс элемента должен составлять 152 кг/га, а уменьшение содержания на аналогичную величину появляется при балансе –70 кг/га.

Именно в связи с этим считаем, что исследования по обнаружению более тесной связи между показателями плодородия почвы (в частности содержанием фосфора и калия) и балансом элементов питания требуют продолжения.

В табл. 5 приведены результаты регрессионного анализа взаимосвязи между изменением содержания элемента питания (Y), определенного различными методами и его балансом (X). Стоит отметить, что данные коэффициенты корреляции не могут считаться окончательными, ввиду достаточно малого времени действия стационарного опыта.

Как было отмечено выше, уравнения регрессии и коэффициенты корреляции изменяются при более длительном проведении полевого опыта. Также стоит отметить, что в большинстве представленных случаев уровень взаимосвязи менялся от незначительного (0.14) до среднего (0.51).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, известкование слабокислой дерново-подзолистой почвы с высоким содержанием подвижного фосфора и средним – калия (по Кирсанову) способствовало сдвигу реакции почвенной среды пахотного слоя на 0.75 ед. pH_KCl за 5-летнюю ротацию зернотравяного севооборота. Это привело к изменениям в калийном режиме почвы, стабилизировало содержание подвижного фосфора (по Кирсанову) и степени его подвижности (по Скофилду) в пахотном слое почвы. Эти изменения положительно отразились на урожайности культур севооборота, увеличив продуктивность севооборота на 10% по сравнению с не известкованным фоном.

Несмотря на то что влияние изученных систем удобрения на агрохимические показатели плодородия дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы не было статистически существенным, их применение увеличило продуктивность зернотравяного севооборота в среднем на 35% по сравнению с неудобренным вариантом (контролем). Максимальную прибавку урожайности севооборота к контролю без удобрения (на 51–55%) отметили в варианте с органо-минеральной системой удобрения. Наименьшая прибавка отмечена при использовании органической системы (22–25%).

Вынос элементов питания с товарной частью урожая был больше на известкованном фоне и в вариантах с применением удобрений. Положительного баланса азота в дерново-подзолистой легкосуглинистой почве при использовании изученных систем удобрения в совокупности с учетом поступления биологического азота за счет азотфиксации и с соломой зерновых культур достичь не удалось. В то же время применение органо-минеральной системы удобрения позволило обеспечить возмещение выноса азота (с учетом всех источников) на 82–91% и получить наибольшую среднегодовую продуктивность севооборота – 51.6–57.3 ц з.е./га.

Величины содержания подвижного калия в почве (по Кирсанову) и его баланса были связаны средней силы положительной корреляцией – 0.51. Взаимосвязи балансов фосфора и калия с прочими их фракциями в почве показали, что прямолинейная корреляция между этими показателями отсутствовала или проявлялась как слабая (от –0.08 до 0.36).

Таким образом, прогнозирование изменения содержания элементов питания в почве на основе баланса питательных веществ для корректировки почвенного плодородия представляет проблему, требующую скорейшего решения с привлечением всей полученной информации в длительных полевых опытах.