Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методологические аспекты понятий плодородие почвы и продуктивность агроценоза 17
Глава 2. Агрофизические аспекты воспроизводства плодородия дерново-подзолистых почв 32
Глава 3. Биологические аспекты воспроизводства плодородия дерново- подзолистых почв 63
3.1. Формы соединений углерода в почвах 66
3.2. Регулирование гумификационных процессов в почве 74
3.3. Сущность процессов минерализации и гумификации почвенного органического вещества 76
3.4. Влияние систем удобрений на содержание органического вещества в почве 83
Глава 4. Объекты и методы исследования 93
4.1. Объекты 94
4.2. Методы 104
4.3. Авторские методические разработки газохроматографического определения биологических процессов азотно-углеродного цикла 106
Глава 5. Изменение основных агрофизических показателей дерново-подзолистых почв автоморфного увлажнения в агроценозах 145
5.1. Агрофизические критерии плодородия дерново-подзолистых почв 145
5.2. Влияние минимальной и общепринятой обработок почвы в 7-полыюм севообороте на агрофизические и агрохимические показатели дерново-подзолистой супесчаной почвы 154
5.3. Инструментальные методы контроля основных агрофизических и биологических показателей, характеризующих изменение плодородия почвы 169
Глава 6. Изменение основных биологических показателей дерново-подзолистых почв автоморфного увлажнения в агроценозах 175
6.1. Влияние минеральных удобрений и возделываемых культур в 7-польном севообороте на содержание лабильных органических соединений в дерново-подзолистой супесчаной почве 177
6.2. Влияние удобрений и возделываемых культур в семипольном севообороте на биологическую активность дерново-подзолистой супесчаной почвы 195
6.3. Пул почвенного доступного азота 207
6.4. Продуктивность агроценоза 214
Глава 7. Разработка ресурсосберегающей и экологически адаптированной системы производства растениеводческой продукции на дерново-подзолистых почвах автоморфного увлажнения Ленинградской области 228
Заключение 245
Выводы 248
Рекомендации производству 252
Список литературы 253
- Методологические аспекты понятий плодородие почвы и продуктивность агроценоза
- Агрофизические аспекты воспроизводства плодородия дерново-подзолистых почв
- Регулирование гумификационных процессов в почве
- Влияние минимальной и общепринятой обработок почвы в 7-полыюм севообороте на агрофизические и агрохимические показатели дерново-подзолистой супесчаной почвы
Введение к работе
Плодородие почвы и продуктивность растений всегда входили в число ключевых проблем почвоведения, агрохимии и многих смежных специальностей.
Отечественное сельское хозяйство вместе со всей экономикой России переживает сейчас глубокий кризис. Развитие устойчивого сельскохозяйственного производства, как известно, основывается на простом или расширенном воспроизводстве плодородия почв, однако, до сего времени не создана теория, соответствующая требованию обеспечивать рост урожаев и повышения плодородия. Не разработаны экономически эффективные, энергосберегающие, экологически обоснованные технологии получения растениеводческой продукции при одновременном простом или расширенном воспроизводстве плодородия. Осуществить эти задачи возможно только при эффективном использования имеющихся возобновляемых природных ресурсов. Такими ресурсами, прежде всего, являются: гелиогидродинамический потенциал, имеющееся плодородие почвы, возобновляемый биологический азот при использовании сидеральных удобрений, осуществляющих мобилизацию питательных веществ из почвы.
Современные пахотные дерново-подзолистые почвы полевых севооборотов не восстанавливают и не накапливают органические соединения — основу плодородия. Это происходит вследствие несбалансированности в агросистемах, из-за отторжения не только хозяйственно-ценной, но и побочной продукции, прежде всего азотно-углеродного цикла - основы создания и устойчивости почвенного плодородия.
Рассматривать плодородие как способность почвы обеспечивать растения водой и элементами минерального питания некорректно, поскольку почва в этом случае выступает как пассивный субстрат, а не активной средой, в которой динамично осуществляется множество процессов.
Сохранение и воспроизводство плодородия почв сопряжено с ресурсосберегающими, экономически и экологически сбалансированными системами земледелия. К сожалению, до настоящего времени не определена суть плодородия, как свойства естественноисторического тела, не учитывается принцип первичного плодородия, развития его во времени.
В основе научного понимания плодородия должна лежать парадигма о том, что это— саморегулируемое, объективное свойство почвы, созданное и поддерживаемое жизнью растений и микроорганизмов. Потеря плодородия обесценивает почву и затрудняет ее использование. Очевидно, что такие понятия, как продуктивность, урожайность, плодородие нуждаются в строгом однозначном определении.
Другой проблемой является определение показателей уровня плодородия почв. В настоящее время предлагается более тридцати почвенных и экологических параметров. Это - совокупность важных свойств почвы, обеспечивающих определенную продуктивность растений, однако, общей основы они не имеют. Общей чертой этих свойств является мнение о том, что плодородие формируется в процессе аккумуляции и трансформации органических соединений, однако почва не выступает как саморегулирующаяся, динамическая система, но определяется свойствами и зависимостью от технико-экономических воздействий.
Представления о нескольких формах плодородия не раскрывают самого понятия плодородия, нет часто разницы между понятиями «продуктивность» и «плодородие».
Полевые севообороты - основа сельскохозяйственного производства Нечерноземья. Они размещаются на дерново-подзолистых почвах автоморфного увлажнения, оптимального гранулометрического состава от супесей до средних суглинков, благодаря выборочное и давности освоения. Плодородие этих почв низкое и продуктивность возделываемых культур (зерновые, картофель, травы) зависит от известкования, внесения органических
и минеральных удобрений, а также интенсивности технологических воздействий.
Парадигма, существовавшая в период интенсивной химизации земледелия, состояла в том, что минеральные удобрения рассматривались (Постников, 1979) и сейчас рассматриваются (Сычев, 2000; Никитишен, 2002) как основной фактор повышения урожайности и плодородия почв. Причем, происходит постоянное смешение понятий «плодородие почвы» и «продуктивность агроценоза». Как указывал Б.Н.Мичурин (1967), - «понятия служат нам средством познания лишь в том случае, если они не двусмысленны, то есть определены однозначно».
Смешение понятий плодородие и продуктивность привело к негативным последствиям. Период с 1960 по 1990 год для экономического роста аграрного сектора России потерян - ни плодородие, ни продуктивность дерново-подзолистых почв не были повышены. На конец этого периода Россия не достигла урожайности аграрного сектора Европы 1960 года. Повышение плодородия зиждется на обязательном возврате в почву побочной продукции, что позволит сохранить гумусированность почвы.
Повышения плодородия в первую очередь требуют почвы полевых севооборотов автоморфного увлажнения, как наиболее истощенные и занимающие большую часть пахотных почв Нечерноземья. Повышение их гумусированности - важнейшая проблема. Форсированный рост урожайности за счет интенсивного применения минеральных удобрений не позволяет поднять плодородие. При этом смешение понятий «плодородие почвы» и «продуктивность агроценоза» нанесло и наносит ощутимый вред. Естественно предполагать, что больших успехов можно достигнуть путем естественного повышения урожайности, неразрывно связанной с повышением плодородия. В этом случае происходит более полное использование в создании урожая естественных факторов при значительном снижение затрат. Это может быть достигнуто введением в севооборот сидеральных паров, как эффективного и
малозатратного приема повышения урожая озимых зерновых культур, что позволяет минимизировать применение минеральных удобрений. Дополнительным резервом снижения затрат на дорогостоящие фосфорные удобрения может быть микоризация семян зерновых, что также имеет немаловажную роль, учитывая повсеместное зафосфачивание пахотных почв.
Главное условие экономической эффективности - минимизация затрат при производстве продукции. Форсирование повышения урожайности за счет применения повышенных доз минеральных удобрений - затратный путь.
Не менее важен экономически обоснованный севооборот. Возделывание трав в полевых севооборотах имеет низкую экономическую эффективность. В полевом травяно-зерно-пропашном севообороте (при урожайности сена трав 30 ц/га, озимых зерновых 15 ц/га и картофеля 150 ц/га), соотношение экономической эффективности в стоимостном выражении относится как 1:2:20.
Рост урожайности зерновых на основе сидеральных удобрений будет иметь важный экономический аспект - повышение эффективности использования зерноуборочной техники. Известно, что оптимальный срок уборки зерновых составляет 10 дней. Если уборка затягивается, то потери зерна составляют 50 %. Поэтому, уменьшение клина зерновых за счет сидерального пара, позволяет, не снижая валовых сборов зерна, повысить эффективность использования зерноуборочной техники, что может сделать рентабельным возделывание зерновых в Нечерноземье и эффективность всего сельскохозяйственного производства.
Роль сидеральных паров для нашей области, при нынешнем уровне плодородия, многофункциональна. Это, прежде всего, улучшение азотного баланса почв и, в частности, снабжение последующей озимой культуры азотом. Не менее важная роль сидератов - в снабжении зерновых культур фосфором, путем расфосфачивания наших почв. Анализы показывают, что в пахотном и подпахотном горизонтах за годы интенсивной химизации закрепилось от 2000 до 5000 кг на гектар фосфора. Эффективно использовать его могут лишь
отдельные сидеральные культуры (люпин, фасоль), а при микоризации - все бобовые культуры.
Эффективное использование дерново-подзолистых почв возможно при насыщении севооборотов озимыми зерновыми, идущими по сидеральным парам, и картофелем. Минимальное использование минеральных удобрений, при наличии сидеральных культур, позволит вовлечь в биологический круговорот большое количество минеральных элементов, таких как фосфор и калий, внесенных в избытке в почвы Ленинградской области в годы химизации. Это приведет к повышению рентабельности возделывания зерновых и пропашных культур.
В Ленинградской области перестройка системы производственных отношений, возрождающаяся многоукладность хозяйствования и близость мегаполиса создают благоприятные условия для развития аграрного сектора. Интенсивный путь - максимизация выхода продукции на единицу интегральных ресурсов - в большей степени зависит от состояния почвенного покрова как важнейшей составляющей ресурсной базы с.-х. производства. Анализируя итоги крупномасштабных мероприятий по химизации и мелиорации, причины их неудач, следует отметить, что они могли лишь частично компенсировать прогрессирующее ухудшение состояния почвенных фондов, но ни коим образом изменить эту тенденцию.
Для дерново-подзолистых почв автоморфного типа, составляющих 75 % площади пашни Ленинградской области повышение почвенного плодородия выражается в росте гумусированности, увеличение мощности и влагоемкости пахотного горизонта, в оптимизации функционирования подпахотных горизонтов.
В то же время необходимо иметь в виду, что повышение плодородия почв, даже базирующееся на строгой научной основе, можно осуществить только с учетом новых экономических реалий, в корне изменивших многие ранее привычные представления и подходы в сфере аграрного хозяйствования.
Продолжающаяся дезинтеграция крупных собственников земли и становление многоукладности не позволит в ближайшие годы перейти к интенсификации сельскохозяйственного производства.
Представление о нынешнем состоянии аграрного сектора Ленинградской области и динамике основных показателей за последние 50 лет можно составить из обобщенных статистических данных.
Детальный анализ структуры с.-х. угодий и главным образом пашни показывает, что экстенсивные тенденции в использовании земельного фонда в коллективных хозяйствах нарастали до начала 90-х годов. Интенсивность использования пашни к этому времени снизилась до 17,3 %. В полеводстве от повсеместно внедренных семи- и восьмипольных севооборотов, имевших два поля многолетних трав, хозяйства перешли к 13-польным севооборотам с 11 полями трав. Причина этого, на наш взгляд, не столько в стремлении обеспечить кормами животноводство, сколько в отсутствии достаточного количества зерноуборочной техники. В новых экономических условиях, когда технику селу не поставляют, а ее необходимо приобретать, сделать это при нынешней урожайности, посевных площадях и валовых сборах зерновых становиться весьма проблематичным.
В настоящее время, в результате передачи из коллективного в индивидуальное пользование половины пашни, интенсивность использования ее возросла до 27,8 % как у новых, так и прежних хозяев.
Анализ статистических данных, характеризующих эффективность использования пашни в настоящее время, показывает, что наблюдается хорошее согласие с аналитическими данными распределения почв по степени окультуренности, полученными в 60-е годы, и площадь интенсивно используемых пахотных земель, в настоящее время существенно не изменилась и составляет 17 % всей площади пашни. Этот факт выявила нынешняя экономическая ситуация. Когда стало расточительно поддерживать продуктивность малоплодородных почв путем химизации и техногенной
интенсификации. На первый план вышел основной фактор продуктивности почвы - ее плодородие.
Сейчас стало очевидным, что принятая в 60-е годы стратегия на преимущественное развитие в Ленинградской области овощемолочного направления на основе травосеяния была ошибочной. Даже громадные вложения, связанные с интенсивной химизацией и мелиорацией земель, осуществленные в последующие 30 лет, не позволили создать условия для расширенного воспроизводства плодородия. Использование в качестве основы кормовой базы для животноводства посевов однолетних и многолетних трав в полевых севооборотах - это ориентировка на экстенсивное развитие аграрной отрасли с весьма низкой экономической эффективностью хозяйствования и доходностью.
Повышение продуктивности дерново-подзолистых почв Ленинградской области и воспроизводство плодородия имеют общую цель - увеличить выход с.-х. продукции при снижении затрат на ее производство. В то же время, методы достижения этой цели весьма различны. Различны и критерии оценки этих показателей. Обобщенным критерием расширенного воспроизводства плодородия почвы считается рост ее гумусированности. Критерием повышения продуктивности почвы является рост урожайности. В настоящее время продуктивность почвы определяется на 65 % уровнем плодородия, на 25 % ресурсными вложениями (органические и минеральные удобрения, средства защиты и семена) и на 10 % уровнем технологического воздействия.
При осуществлении мер по повышению продуктивности дерново-подзолистых почв необходимо учитывать следующие положения. Прежде всего, это выполнение условий простого или расширенного воспроизводства плодородия, как важнейшего условия экономически эффективного и экологически сбалансированного с.-х. производства. Критерием выполнения этих условий является стабилизация или рост гумусированности почвы. Как показал предшествующий опыт, путь на стабилизацию или рост содержания
гумуса в почве за счет поступления лишь пожнивных остатков зерновых и, главным образом, корневых остатков многолетних трав бесперспективен. Не меняет положение и периодическое, раз в ротацию севооборота, внесение 10-15 т/га навоза. Необходимо дополнительное и в гораздо больших объемах поступление органического вещества в почву. Существует 4 источника пополнения почвы органическим веществом, а именно, внесение навоза, торфа, соломы и биомассы сидеральных культур. Два последних источника в нынешних условиях наиболее приемлемы. Реализация их возможна при введении полевых зерно-сидерально-пропашных севооборотов со следующим чередованием культур: бобовый сидерат, озимая рожь, картофель, крестоцветный сидерат, озимая рожь, картофель.
Сидеральные удобрения, в результате почти полного разложения в летние месяцы, способствуют значительному повышению урожайности за счет мобилизации N, Р, К и увеличения их доступности выращиваемой озимой культуре. Солома озимых, оставленная в поле и заделанная в почву, является главным источником пополнения органического вещества (Кант, 1982). При уменьшении площадей, занятых под зерновыми в результате введения двух сидеральных полей, станет необходимым восстановление зернового клина за счет полей многолетних трав. При этом начнут расти валовые сборы зерна и повысится эффективность использования зерноуборочной техники.
Выбор озимых зерновых в качестве основной культуры определяется тем, что они более полно, чем яровые используют гелиогидротермический потенциал региона, кроме того, на первых этапах окультуривания, позволяют проводить полевые работы в периоды благоприятного физического состояния почвы.
Выбирая такую стратегию вывода аграрного сектора области из кризиса, необходимо определить ее возможных исполнителей.
Огороднические и садоводческие хозяйства также как индивидуальные жилищные и дачные хозяйства не могут вести расширенное воспроизводство
плодородия почв по следующим причинам: отсутствие в хозяйстве скота, интенсивное воздействие на почву (высокие дозы минеральных удобрений, искусственный полив, частые рыхления почвы, преимущественное выращивание овощных культур), что способствует повышенной минерализации органического вещества.
Личные подсобные хозяйства (селяне) способны проводить стратегию простого и расширенного воспроизводства плодородия почв. Это связано с тем, что в этих хозяйствах в пересчете на один гектар пашня получает 50 т навоза в год, что позволяет вести в течение длительного времени монокультуру картофеля и овощных при довольно высокой продуктивности.
Фермерские хозяйства могут осуществлять расширенное воспроизводство плодородия почвы при условии возможности развернуть на своих полях в полном объеме зерно-сидерально-пропашной севооборот. Ограничивающим фактором в этом случае является наличие зерно- и картофелеуборочной техники.
Реальными исполнителями стратегии простого и расширенного воспроизводства плодородия почв являются производственные с.-х. кооперативы. Это связано с тем, что в их распоряжении находятся большие площади пахотных земель и необходимая техника. Это позволяет уже в настоящее время вводить зерно-сидералыю-пропашные севообороты, делая акцент на производство зерна.
Таким образом, на основе анализа существующих в литературе положений, можно заключить, что назрела необходимость в создании теории почвенного плодородия, установление его критериев и показателей. Существенно важной проблемой является определение основ повышения урожайности посевов и плодородия почв и разработка инструментальных методов для контролирования динамики показателей и критериев плодородия.
Цель исследований. Установить агрофизические и биологические основы повышения урожайности посевов и плодородия автоморфных дерново-подзолистых почв в полевых севооборотах.
Основные задачи исследований:
Выявить агрофизические и биологические критерии и установить показатели изменения плодородия дерново-подзолистых почв.
Разработать экологически адаптированный и ресурсосберегающий полевой севооборот для производства растениеводческой продукции и повышения плодородия дерново-подзолистых почв автоморфного увлажнения.
Разработать инструментальные методы контроля основных агрофизических и биологических показателей, характеризующих плодородие почвы.
Основные положения, выносимые на защиту:
Агрофизические и биологические критерии плодородия и показатели его изменения в дерново-подзолистых почвах;
Агрофизические и биологические основы повышения урожайности посевов и плодородия дерново-подзолистых почв в полевых севооборотах;
Экологически адаптированный и ресурсосберегающий севооборот для производства растениеводческой продукции и повышения плодородия дерново-подзолистых почв автоморфного увлажнения.
Инструментальные методы контроля агрофизических и биологических показателей, характеризующих плодородие почвы.
Научная новизна. Установлены агрофизические и биологические критерии и показатели изменения плодородия дерново-подзолистых почв. Предложены способы повышения продуктивности агроценозов и
воспроизводства плодородия почв. Основываясь на данных многолетних стационарных опытов, проведенных на дерново-подзолистых почвах, разработана энерго- и ресурсосберегающая система производства растениеводческой продукции. Разработаны новые методики и усовершенствованы инструментальные методы контроля основных агрофизических и биологических показателей, характеризующих плодородие почвы.
Практическая значимость работы. Методические разработки автора по оценке интенсивности и направленности трансформационных процессов органических соединений почвы газохроматографическим методом изложены в учебном пособии "Физико-химические методы в агрохимии", ЛГУ, 1986.- 186 с. (в соавторстве), в книге «Хроматография в агроэкологии», СПбГУ, 2002.- 555 с. (в соавторстве) и "Физико-химические методы в агрохимии и биологии почв", СПбГУ, 2005.- 178 с. (в соавторстве). Разработано устройство для определения усадки почв, авторское свидетельство № 1126875 от 27.07.83 г. (в соавторстве). Усовершенствован пламенно-фотометрический детектор для анализа углерод- и азотсодержащих газов. Патент № 1226205. - открытия, изобретения М., № 15. 1986. С. 145 (в соавторстве).
Предложен для внедрения в хозяйствах Ленинградской области ресурсосберегающий экологически адаптированный полевой севооборот для производства растениеводческой продукции при сохранении уровня плодородия дерново-подзолистых почв автоморфного увлажнения.
Усовершенствованный пламенно-фотометрический детектор для газохроматографического анализа углерод- и азотсодержащих газов (ПФД-АФИ) внедрен в:
ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт земледелия и защиты почв от эрозии (ГНУ ВНИИЗ и ЗПЭ);
Ботанический сад при Казанском государственном университете;
Сахалинский институт сельского хозяйства.
Усовершенствованные и разработанные газохроматографические методы исследования микробиологической трансформации соединений углерода и азота в почве внедрены в научно-исследовательские учреждения:
ГНУ Ленинградский научно-исследовательский институт сельского хозяйства (ГНУ ЛНИИСХ);
ГНУ ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова (Москва);
Институт агрохимии и почвоведения Узбекистана;
ГНИУ Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственного использования мелиорированных земель (ГНИУ ВНИИМЗ, г. Тверь).
Теоретические и практические разработки внедрены в учебный процесс почвенного отделения Санкт-Петербургского Государственного университета в курсе «Физико-химические методы исследования почв».
Методологические аспекты понятий плодородие почвы и продуктивность агроценоза
Условия экономически эффективного ведения сельскохозяйственного производства, заключающиеся в стабилизации или росте продуктивности возделываемых культур при минимизации вложений, основываются на простом или расширенном воспроизводстве плодородия почв. Однако до сего времени не создана теория простого или расширенного воспроизводства плодородия почв. Известный аграрник Т. С. Мальцев писал: «Мне представляется, что у нас до сих пор по настоящему не разработана теория земледелия, соответствующая современным требованиям обеспечить рост урожаев и повышение плодородия почвы». Создание теории почвенного плодородия, как указывают Л. Л. Шишов, И. И. Карманов и Д. Н. Дурманов (1987), необходимо для целенаправленного, научно обоснованного воздействия на процесс культурного почвообразования. Многие положения, необходимые для построения теории воспроизводства плодородия не решены или недостаточно изучены. Прежде всего, до сих пор нет четкого и однозначного определения понятий «плодородие почвы» и «продуктивность агроценозов». Как указывал Б. Н. Мичурин (1967), « Понятия служат нам средством познания лишь в том случае, если они не двусмысленны, то есть определены однозначно». Не разработаны научные, экономические и агротехнические приемы управления процессами, вкладываемыми в эти понятия.
Одна из главных задач аграрной науки - изучение физических, физико химических, биохимических и физиологических процессов в почвах для экономически эффективного получения растениеводческой продукции, используя энергосберегающие технологии при одновременном, простом или расширенном воспроизводстве плодородия. Интенсификация сельскохозяйственного производства невозможна без повышения эффективности использования имеющихся природных ресурсов. Научные исследования и производственный опыт показывают, что при эффективном использовании природных ресурсов, климата и плодородия почвы можно повысить урожайность сельскохозяйственных культур почти в 2 раза (Образцов 1990).
Количественное описание плодородия почвы должно быть основано на учете основных свойств и режимов. Упрощенная трактовка способов управления плодородием почвы путем изменения только нескольких изолированных показателей, имеющих непосредственное агрономическое значение (например, рН, содержание доступного азота, фосфора, калия и др.), несостоятельна. Перед наукой о почвенном плодородии стоит задача глубокого познания как позитивных, так и негативных процессов, развивающихся в почвах при их сельскохозяйственном использовании.
По определению Оксфордского словаря, плодородие - это способность производить. Почвенное плодородие - это способность почвы производить растения. Оно слагается из трех компонентов: химического, физического и биологического плодородия. Такое словарное определение плодородия почв не вскрывает сущности этого понятия. Методологические аспекты понятия «плодородие почвы» следует рассматривать как систему принципов и способов организации и построения теоретической и практической деятельности, как учение о методах, способах, приемах и правилах деятельности в какой-либо области. Главная цель методологии - изучение средств, методов и приемов исследования, с помощью которых можно получить новое знание в науке. Методология - это совокупность исходных принципов исследования, включающих изучение научной теории, ее становление и эволюцию.
Понятие «плодородие почвы» в Большой советской энциклопедии трактуется следующим образом (Синягин, 1980): «Плодородие почвы -способность почвы обеспечивать растения усвояемыми питательными веществами, влагой и др. и давать урожай.
Различают потенциальное (естественное) и эффективное П. п. Потенциальное П. п. определяется общим запасом в почве питательных веществ, влаги, а также другими условиями жизни растений. Эффективное (или актуальное, экономическое) П. п. - возможность использования элементов плодородия растениями в данном году; зависит прежде всего от проведения всего комплекса агротехнических мероприятий. При большом потенциальном П. п. эффективное может быть небольшим, и наоборот, при соответствующем уровне агротехники можно обеспечить высокое эффективное плодородие малоплодородных почв. Эффективное П. п. - очень динамичное свойство почвы, способное быстро изменяться под влиянием природных условий и агротехнических приемов. Важнейшие факторы П. п.: содержание необходимых для растений питательных веществ и их формы; наличие доступной для растений влаги, уровень устойчивости влажности; хорошая аэрация почвы как важное условие развития корневых систем, а также жизнедеятельности микроорганизмов, обеспечивающих разложение органических и накопление питательных веществ в форме, усвояемой для высших растений; механических состав, структурное состояние и строение; содержание токсических веществ; реакция и др. Сумма этих свойств определяет уровень культурного состояния почвы. Все элементы П. п. взаимосвязаны, П. п. зависит от факторов почвообразования: климата, почвообразующих пород, естественной и культурной растительности, рельефа, но особенно большое значение для уровня П. п. имеет характер использования почвы. Главным прием регулирования запасов питательных веществ в почве, в особенности в доступных растениям подвижных формах, - внесение минеральных и органических удобрений. Существенное значение имеют введение в севообороты бобовых культур и улучшение условий для жизнедеятельности азотобактера и других организмов, усваивающих азот из атмосферы. Устранение повышенной кислотности достигается известкованием почв, а повышенной щелочности (солонцы) - гипсованием почв.
Важное условие П. п. - отсутствие в почве избыточного количества легкорастворимых солей, главным образом хлоридов и сульфатов натрия и отчасти магния, кальция и др. катионов. Для устранения избытка солей применяют промывание почвы, а для предупреждения накопления солей -правильный поливной режим, дренаж и др. П. п. сильно снижается при наличии в ней вредных химических соединений (закисных соединений железа, подвижных соединений алюминия), накапливающихся обычно в условиях застойного переувлажнения. Регулирование запасов влаги в почве достигается с помощью агротехнических и гидротехнических мероприятий (зяблевая вспашка, снегозадержание, ранневесеннее боронование, междурядная обработка посевов, орошение, осушение и др.). Наиболее высоким эффективным П. п. характеризуются почвы, которые наряду с достаточным количеством влаги имеют хорошую аэрацию. Низкое П. п. нередко зависит от наличия патогенных организмов. Устранение их химическими (стерилизация, внесение фунгицидов, нематоцидов и др.) и агротехническими средствами (севооборот, обработка) резко повышает эффективное П. п. При правильном использовании почв их плодородие не только не снижается, но постоянно увеличивается».
В настоящее время в литературе можно встретить различные варианты понятия плодородия почвы: естественное, природное, потенциальное, базисное, эффективное, текущее, полное. В работе Л. Л. Шишова, И. И. Карманова и Д. Н. Дурманова (1987) природное плодородие почвы определяется как совокупность ее свойств и режимов, весь комплекс экологических условий, на фоне которых она развивается. На развитие почвенного плодородия влияют не только природные факторы, но и хозяйственная деятельность человека. Поэтому вместо термина «природное (естественное) плодородие» предлагается применять термин «потенциальное плодородие» (Шишов и др., 1987), включая в это понятие как природные, так и приобретенные в результате антропогенного воздействия свойства почв. В соответствии с этим, авторы определяют потенциальное плодородие как способность почвы обеспечивать растения всеми необходимыми факторами роста, развития и получения биомассы или основной и побочной продукции за счет природных и приобретенных под влиянием человеческой деятельности свойств почвы в многолетнем цикле. Это свойство почвы стабильно, изменяется медленно. По нашему мнению, определение понятия «потенциальное плодородие» неточно отражает смысл слова «потенциальное», которое означает возможный, скрытый, не проявившийся. Следовательно, «потенциальное плодородие» по данным Шишова и др. (1987) - это возможное плодородие почвы, проявляющееся при определенных экологических условиях. Потенциальное плодородие почвы проявляется в форме эффективного плодородия, которое представляет собой способность почвы обеспечивать растения всеми необходимыми факторами роста, развития и получения биомассы или основной и побочной сельскохозяйственной продукции в конкретный период времени. Эффективное плодородие проявляется как суммарный результат мобилизации элементов потенциального плодородия с помощью агротехнических приемов и дополнительного применения факторов, повышающих урожай. Эффективное плодородие - динамичный показатель. Оно изменяется как в многолетнем цикле, так и за один вегетационный период в зависимости от погодных условий. Приведенные определения эффективного и потенциального плодородия почвы расплывчаты, противоречивы, требуют дополнительного уточнения и конкретизации.
О нынешних системах земледелия и их плодородии А. Н. Каштанов (1988) пишет: «В природных условиях почвообразовательный процесс всегда или почти всегда развивается по принципу расширенного воспроизводства. В результате этого происходит постоянное накопление энергетического потенциала в устойчивых естественных экологических системах. Иначе говоря, эти системы автотрофны. Разрабатываемые и применяемые ныне системы земледелия (без орошения и с орошением) чаще бывают гетеротрофными, неспособными накапливать и синтезировать энергетический материал, а, наоборот, излишне расходуют его, носят затратный характер. Это объясняется несовершенством, несбалансированностью таких систем по ресурсам, бесконтрольное их функционирование, неувязкой, подчас несовместимостью с природной экологической системой и, прежде всего, с почвенно-гидрологическим режимом».
Агрофизические аспекты воспроизводства плодородия дерново-подзолистых почв
Физическое состояние почвы может быть охарактеризовано ее структурным состоянием, количественно выражено механическим составом через удельную поверхность, общую и дифференциальную пористость, а также соотношением твердой, жидкой и газообразной фаз. Механический состав, структурное состояние и соотношение фаз определяют основные агрофизические свойства почвы, такие как водные, воздушные и тепловые (Глобус, 1969; Мичурин, 1967).
Структурное состояние пахотного горизонта является важным фактором почвенного плодородия. Агрономическое значение структуры заключается в том, что она оказывает определяющее влияние на водный, воздушный и тепловой режимы, регулирует плотность сложения и удельное сопротивление почвы, пористость и противоэрозионную устойчивость (Хан, 1969; Ревут, 1963; Воронин, 1984).
Структура почвы и устойчивость агрегатов определяют сопротивление почвы уплотняющим нагрузкам, условиям обитания корневых систем растений и почвенной биоты, водоудерживающую способность почвы (Воронин, 1984).
Наиболее ценная комковато-зернистая, упруго-прочная, водопрочная и пористая почвенная структура образуется при обязательном участии корневой системы многолетней и отчасти однолетней травяной растительности. Она непосредственно образует структуру почвы, как дроблением уплотненной массы почв, так и сцеплением мелких почвенных частиц. Увеличение водопрочности структуры почвы под влиянием растений объясняется рядом причин. Главная - образование перегнойных веществ в результате разложения отмерших частей растений, особенно если эти перегнойные вещества связаны с кальцием. В придании прочности структуры почвы большое значение имеют живые корешки растений. Пронизывая и оплетая структурный агрегат, они скрепляют его и не дают распадаться в воде. Структурные агрегаты, скрепленные живыми корешками растений, мицелиями и клеящими продуктами жизнедеятельности микроорганизмов, не являются стабильно прочными, но они играют большую роль в улучшении водно-воздушного режима почвы в период вегетации растений (Левин, 1972).
Положительное влияние однолетних и многолетних растений на структуру почвы определяется однозначно только на совершенно бесструктурной, выпаханной почве. В большинстве случаев воздействие растений на структуру почвы определяется исходным уровнем оструктуренности почвы и биологическими особенностями. В итоге структуру почвы определяет разность между оструктуриванием почвы и ее разрушением в результате агротехнических мероприятий, главным образом под пропашными культурами. Количество растительного опада под многолетними травами, высокая биологическая активность, длительный период без механических обработок (2—3 года) привели к суждению, что травы являются наиболее эффективной культурой восстанавливающей структуру почвы и имеющиеся данные подтверждают это. Содержание агрегатов больше 0,25 мм может увеличиться в слое 0-10 см в конце 2 го года пользования травами на 44-60 %, а в слое 10-20 см на 41-53 % (Левин, 1973)
Значительное улучшение структуру почвы наблюдается при высоком урожае однолетних культур. Так, при урожае сена в 98 ц/га (легко- и среднесуглинистые почвы Ленинградской области) в почве содержалось 68 % структурных агрегатов, а при отсутствии посевов однолетних трав в течение 8 лет - 18 %, т.е. почва была практически бесструктурной (Стихии, 1966). Положительное влияние органических удобрений на накопление в почве агрономически ценной фракции агрегатов подтверждают многие авторы (Пестряков, 1983; Кузнецова, 1977; Барановский, 1977). Поскольку основными гумусообразователями почвы являются растительные остатки, считается, что равновесие «образование - распад» агрегатов смещается в сторону распада при уменьшении поступления растительного опада или при интенсификации технологических воздействий. Минеральные удобрения, повышая урожай, не однозначно влияют на структуру почвы в зависимости от видов и норм вносимых удобрений (Шконде и др., 1982). В тоже время органические удобрения всегда улучшают структуру почвы (Шевцова, 1986, 1991).
В почвах образование и распад агрегатов регулируется не только процессами поступления и минерализации органического вещества, интенсивностью гумусообразования, но и взаимодействием органических соединений с минеральной почвенной массой, что определяется долей пропашных культур в севообороте и интенсивностью технологических воздействий. Такое комплексное воздействие на почву существенно изменяет агрегатный состав и затрагивает всю систему агрегатообразования. При этом разрушается стабильная часть структуры, изменяется количественное соотношение компонентов - структурообразователей, а также соотношение агрегатов разных размеров и их водопрочность (Пестряков и др., 1977).
Роль органических соединений в формировании почвенных агрегатов общепризнанна (Хан, 1969). Экспериментально установлено, что удаление органических веществ из агрегата приводит к полному его разрушению (Антипов-Каратаев и др., 1948). Распределяясь главным образом на поверхности раздела между минеральными частицами и почвенным раствором, гумусовые вещества оказывают влияние на регулирование физико-химических и биохимических процессов, определяют агрегативную устойчивость дисперсной системы почвы. Именно поэтому агрегаты гумусовых горизонтов, например, более водоустойчивы, чем агрегаты иллювиальных горизонтов, сформированных без участия органических веществ (Пестряков и др., 1977). Известно, что по мере снижения дисперсности почвенных частиц, в них снижается содержание гумуса. Наибольшие изменения при освоении и окультуривании почв претерпевают тонкодисперсные фракции, наиболее ценные по своим физико-химическим свойствам. Эти тонкодисперсные фракции ( 0,001 мм) имеют особое значение в образовании первичных агрегатов (микроагрегатов) (Димо, Бондарев, 1976). Интенсивность микрооструктурирования зависит от количества тонкодисперсных почвенных частиц и их качественного состава. Максимальная агрегация почвенной массы возможна при определенном, оптимальном соотношении органических и минеральных компонентов в составе илистых частиц, обладающих высокой коагуляционной способностью. При этом содержание органических компонентов в иле является определяющим показателем микрооструктуренности почвы.
В образовании макроагрегатов участвуют как свободные, так и рыхлосвязанные формы органического вещества. Причем особенно велика роль прочносвязанного с минеральной частью органического вещества (Кузнецова, 1966). Водопрочность структуры почвы связана с общим содержанием в ней гумуса и гуминовых кислот. Для улучшения структуры пахотных почв требуется постоянное пополнение запасов органического вещества в почве и, кроме того, создание условий для образования в процессе его гумификации не фульватного гумуса, а гуминовых кислот, связанных с Са, что обеспечивается умеренной аэрацией почвы и предупреждает переувлажнение (Левин, 1983). Заметное увеличение водопрочности структурных агрегатов наблюдается при увеличении гумусированности почвы (Долгов и др., 1974; Кузнецова, 1966; Барановский, 1977; Левин, 1983). Однако авторы не устанавливают значимость отдельных соединений органического вещества в образовании почвенной структуры.
Регулирование гумификационных процессов в почве
Одним из эффективных приемов регулирования гумификационных процессов является способ обработки почвы. При отвальной вспашке в почве значительно возрастает количество аэробной микрофлоры. Разложение свежего органического вещества происходит с высокой интенсивностью и характеризуется низким коэффициентом гумификации. Появляющийся дефицит свежих органических остатков переключает почвенную биоту на разложение собственно гумусовых соединений (Берестецкий, 1986). В составе микробных комплексов почвы возрастает численность специфических микроорганизмов родов Nocardia, Artrobacter и др., обладающих способностью к ферментативному окислению устойчивых ароматических фрагментов гумусовых молекул, приводящих к интенсивной дегумификации. При минимальной обработке почвы биологическая активность несколько снижается, в составе микробных ассоциаций возрастает численность анаэробных бактерий, микробиологическое разложение свежего органического вещества замедляется, коэффициенты гумификации возрастают, что способствует гумификации почвы.
Важным условием поддержания биологической активности почвы на высоком уровне при видовом разнообразии микробной биоты является севооборот (Воробьев, 1976), обеспечивающий поступление в почву биохимически разнообразных органических соединений. Известно, что наблюдаемая активизация микробиологических процессов при заделке в почву зеленой массы растений как правило приводит к увеличению урожайности возделываемых культур. Так, при запашке крестоцветного сидерата (сурепица) численность физиологических групп почвенных бактерий возросла в среднем в 2,67-1,49 раза, количество грибов снизилось в 1,5 раза, а урожайность зерна ячменя повысилась на 6 ц/га (Берестецкий, 1986).
На микробиологические процессы гумификации свежих органических остатков влияет реакция среды. Нейтрализация избыточной кислотности благоприятно действует на развитие сапрофитной микрофлоры, коэффициенты гумификации повышаются на 10-15%. Кроме того, кальций смещает синтез гумуса в сторону формирования наиболее ценных для почвенного плодородия гуминовых кислот. Благоприятные условия для микробиологических процессов (так же, как и для растений) создаются в почве при влагообеспеченности на уровне 60-70% их полной влагоемкости.
Использование в севооборотах многолетних трав обеспечивает воспроизводство гумуса в почвах. Однако, следующая за ними обычно пропашная культура «съедает» гумус, накопленный травами, в течение одного года, а зерновая в течение - 2-Зх лет (Кононова, 1966). Кроме того, многолетние травы содержат в 4-5 раз меньше лигнина, чем солома хлебных злаков. Поэтому травы формируют в основном лабильный, быстро минерализующийся гумус. Запашка зеленой биомассы и соломы хлебных злаков по-видимому будет формировать устойчивые гумусные соединения. Разработка подобных агротехнологий требует незамедлительного решения.
Важнейшим приемом воспроизводства продуктивности почв является выращивание бобовых сидеральных культур (люпин, донник, эспарцет, горох посевной, бобы, вика и др.) с последующей запашкой их в почву. Как известно (Wittwer, 1978) минеральные азотные удобрения поглощают до 1/3 всей энергии, затрачиваемой в сельскохозяйственном производстве. Использование биологического азота в земледелии обеспечивает снижение энергоемкости, экономию материальных ресурсов, уменьшает загрязнение окружающей среды. Кроме того, создается благоприятная микробиологическая обстановка в почве, увеличивается почвенное плодородие и улучшается качество растениеводческой продукции.
Любые органические остатки, поступающие в почву, подвергаются в ней процессам разложения под воздействием микроорганизмов и мезофауны, использующих эти остатки как строительный и энергетический материал. Конечный результат минерализации - постепенное уменьшение органических соединений с высвобождением минеральных соединений, используемых в биологическом круговороте. Основной итог гумификации - консервация органического вещества в форме новых, устойчивых к разложению органических и органоминеральных соединений.
Все процессы разложения органических остатков носят биокаталитический характер и протекают при непосредственном участии ферментов микроорганизмов, как вне живых клеток, так и внутри их. Вследствие высокомолекулярной природы большинства компонентов органических остатков процессы трансформации протекают вне живых клеток микроорганизмов и сводятся к гидролитическому расщеплению экзоферментами, после чего продукты расщепления, благодаря уменьшению молекулярной массы, постепенно проникают через клеточные мембраны микроорганизмов и подвергаются дальнейшим превращениям при участии различных оксидоредуктаз. Следовательно, в почве вне микроорганизмов постоянно образуются высокомолекулярные продукты гидролитического расщепления, которые непрерывно пополняются низкомолекулярными органическими веществами в процессе микробной трансформации.
Процессы разложения - минерализации органических остатков глубоко разработаны Л. Н. Александровой (1980). Первыми деструкторами полимеров могут выступать лишь те микроорганизмы, которые обладают гидролитическими ферментами. В аэробной зоне такими микробами - гидролитиками являются грибы, некоторые, главным образом грамположительные бактерии, в том числе актиномицеты. В анаэробной зоне гидролитики представлены только бактериями, в основном из группы клостридий.
Превращения полимеров при доступе кислорода происходят глубоко, до освобождения ССЬ и лишь небольшая часть продуктов распада попадает «в зону рассеяния», где олиготрофные микроорганизмы аэробной зоны, заканчивают переработку этих продуктов, собирая их из среды, где они рассеяны в низкой концентрации. Такие олиготрофные микроорганизмы представлены граммотрицательными бактериями.
В анаэробных условиях в процессе первичного разложения органических веществ в качестве продуктов распада образуются жирные кислоты и молекулярный водород, который мигрирует в аэробную зону, где подвергается окислению водородными бактериями, а также включается в метаболические пути других бактерий. Часть водорода в анаэробной зоне используется вторичными анаэробами, например, метаногенными бактериями, восстанавливающими СС 2 до метана, который тоже мигрирует в окислительную зону и там улавливается метаноокисляющими бактериями. Жирные кислоты поступают к вторичным анаэробам, например, сульфатредуцирующим и денитрифицирующим бактериям, которые используют их как источники углерода и энергии при восстановлении неорганических акцепторов электрона, таких как сульфаты или нитраты.
Микроорганизмы являются трансформаторами соединений углерода в почве. Расщепление Сахаров и крахмала осуществляется многими бактериями и грибами, большинство из них — полифаги, слабо специализированные в отношении питания. При расщеплении Сахаров и крахмала аэробными бактериями конечными продуктами являются С02 и Н20. При расщеплении грибами в аэробных условиях образуются лимонная, щавелевая, фумаровая, янтарная кислоты, в анаэробных - уксусная, масляная, молочная, фумаровая кислоты, СОг, Н2, СН4. Расщепление гемицеллюлозы осуществляется многими микроорганизмами и грибами.
Продуктами ферментативного гидролиза клетчатки являются целлобиоза и глюкоза. В анаэробных условиях целлюлоза сбраживается с образованием уксусной и янтарной кислот, этилового спирта, С02 и Н2; в аэробных условиях продуктами ее разложения являются С02 и Н20.
При расщеплении пектина образуются органические кислоты, спирты и газы (С02, Н2) или же, в результате гидролиза, сахара, которые в дальнейшем сбраживаются другой микрофлорой.
Влияние минимальной и общепринятой обработок почвы в 7-полыюм севообороте на агрофизические и агрохимические показатели дерново-подзолистой супесчаной почвы
Различия в величине нагрузки на почву при минимальной и общепринятой обработке в 7-польном севообороте проявляется на агрофизических свойствах гумусовых горизонтов. При минимальной обработке, в частности, при замене вспашки на лущение почвы, большая часть пожнивных остатков находится на поверхности. В этих условиях процессу микробиологической минерализации пожнивных остатков не предшествует гидролиз растительных тканей с переводом в почвенный раствор углеводов, органических кислот и фенольных соединений в концентрациях намного больших, чем в случае запахивания пожнивных остатков во всем объеме гумусового горизонта, наблюдаемое при общепринятой обработке.
Кроме того, продукты гидролиза, фильтруясь через почву, создают в профиле отдельные зоны в которых концентрируются индивидуальные соединения (подобно колоночной хроматографии), обладающие как стимулирующим, так и ингибирующим действием на микробиологические процессы (Красильников, 1958; Худяков, 1965).
Процесс перемещения продуктов гидролиза растительных остатков по профилю очень динамичен, зависит от конкретных гидротермических условий, складывающихся в осенний период. Поэтому, на дифференциацию почвенного профиля по биологической активности определяющее значение будет иметь время отбора образцов почв на анализ.
Образцы почв на анализы отбирали с 1го поля семипольного севооборота, на котором выращивался ячмень. Техника отбора была следующей. На опытной делянке делалась приметка размером 20x30x40 см и по слоям (через 10 см на варианте общепринятой обработки и через 8 см на варианте минимальной обработки) отбирали образцы общим весом 5-6 кг влажной почвы, перемешивали и оставляли 3 кг на анализы. В лаборатории всю почву высушивали, просеивали через сито в 1 мм. Оставшуюся на сите массу в виде гравия учитывали и относили к общему весу воздушно-сухой почвы. Данные о содержании в отдельных слоях дерново-подзолистой супесчаной почвы гравия по вариантам обработки почвы приведены в таблице 14.
Данные таблицы 16 показывают, что более сильное подкисление почвы наблюдается при общепринятой обработке как по отдельным вариантам с удобрениями, так и в целом. В таблице 17 представлены данные о содержании подвижного фосфора в различных слоях гумусового горизонта исследуемой почвы
Как можно видеть из данных таблицы 17, содержание подвижного фосфора достоверно выше при минимальной обработке почвы по двум вариантам с дозами удобрений. В контрольном варианте разница по этому показателю недостоверна.
Данные о содержании подвижного калия (в вытяжке Кирсанова) в слоях исследуемой почвы представлены в таблице 18. Как можно видеть, по содержанию подвижного калия различия как по вариантам с удобрениями, так и по варианту с обработкой в исследуемой почве недостоверны.
Обобщая полученные данные по агрохимической характеристике отдельных слоев гумусового горизонта дерново-подзолистой супесчаной почвы, следует отметить следующее. Существенные и достоверные различия в зависимости от способа обработки почвы получены лишь по тому показателю, где действующий фактор как бы накапливается из года в год, т.е. интегрируется в течение севооборота. К такому показателю относится лишь содержание подвижного фосфора. Все остальные показатели имели лишь тенденцию, но достоверных различий не наблюдается.
Влияние обработки почвы, удобрений и растений на основные показатели биологической активности дерново-подзолистой супесчаной почвы представлено в таблице 21. Практически на всех вариантах опыта и под всеми культурами севооборота потенциальное аэробное и анаэробное дыхание почвы было интенсивнее при минимальной обработке, по сравнению с общепринятой. Усиления окисляемости лабильного органического вещества происходило при применении умеренных доз удобрений в почве под большинством культур севооборота и, как правило, под всеми культурами на повышенных дозах минеральных удобрений.
Интенсивность процессов денитрификации и азотфиксации, затратных по углероду, возрастала при минимальной обработке почвы. Вносимые дозы минеральных удобрений оказали четкое действие на эти процессы. Интенсивность денитрификации возрастала с увеличением доз вносимых минеральных удобрений, напротив, интенсивность процесса азотфиксации снижалась. Наибольшие потери азота происходили в почве под пропашными и зерновыми культурами, наименьшие под многолетними травами и озимой рожью.
Соотношение и иммобилизационных, и минерализационных процессов в дерново-подзолистой супесчаной почве через 2 ротации 7й полыюго севооборота находилось в соответствии с интенсивностью основных микробиологических процессов азотно-углеродного цикла (табл. 22). Системы обработки почвы повлияли одинаково на всех вариантах опыта с культурами и дозами удобрений. Минимальная обработка усилила иммобилизационные процессы (накопление лабильного углерода, расширение эмиссионного C/N отношения (C-CO2/N-N2O), усиление процесса азотфиксации свободноживущей микрофлорой по сравнению с интенсивностью процесса денитрификации (N-NH3/N-N2O). Если на вариантах минимальной обработкой почвы содержание водорастворимого органического вещества составило 1,80-0,65% от общего содержания углерода в почве, то при применении общепринятой обработки оно колебалось в пределах 1,44-0,51%.
Кроме внешнего, температурно-влажностного регулирования скорости минерализации углерод- и азотсодержащих лабильных органических соединений, ее ход и направленность контролируются конечными продуктами, а именно углекислым газом (рис, 10) и минеральными соединениями углерода и азота (ССЬ, N03\ NH4 ) появляющимися в почве в газообразной и жидкой фазах. Изменение направления деятельности микробного ценоза в сторону минерализации, или иммобилизации азота регулируется отношением C/N в лабильном органическом веществе, путем пополнения пула СНг() вновь гидролизованной органикой из свежих растительных остатков.
Исследована зависимость процессов минерализации от содержания углекислого газа в почвенном воздухе. Исследования проведены в лабораторных условиях. На рисунке 10 показано ингибирующее влияние диоксида углерода на интенсивность минерализационных процессов, С ростом содержания С02 в почвенной атмосфере резко снижается интенсивность минерализационных процессов. При содержании ССЬ в почвенном воздухе больше 0,45 объемных процентов окисление углерода органических соединений снижается почти в два раза. Такие условия возможны в дернине и верхнем горизонте под многолетними травами. Происходит смещение равновесия между минерализацией и гумификацией в сторону гумификации растительных остатков, и под многолетними травами происходит накопление гумуса. Таким образом, основной конечный метаболический продукт жизнедеятельности почвенной микрофлоры - углекислый газ может в повышенных концентрациях выступать в качестве ингибитора биологической активности почвы.
