Содержание к диссертации
Введение
1 Антропогенная эволюция почв при рисосеянии (обзор литературы) 13
1.1 География и эволюция почв 13
1.2 Морфогенез почв и особенности почвообразования 20
1.3 Окислительно-восстановительный режим почв 27
1.4 Трансформация соединений железа в почвах 35
1.5 Изменение физических, химических и биологических свойств почв 42
2 Условия и методы проведения исследований 53
2.1 Почвенно-климатические условия 53
2.2 Методика исследований 60
3 Влияние рисосеяния на современный почвообразовательный процесс 78
3.1 Морфологическая характеристика почв 78
3.2 Окислительно-восстановительные процессы и подвижность соединений железа в почвах 98
3.3 Магнитная восприимчивость почв 114
3.4 Гранулометрический состав, физические и химические свойства почв 121
3.5 Диагностика современного состояния почв рисовых агроландшафтов 159
4 Биологическая активность почв рисовых агроландшафтов 172
4.1 Интенсивность дыхания почв 173
4.2 Ферментативная активность почв 178
Глава 5 Почвенные процессы в период вегетации риса 194
5.1 Динамика окислительно-восстановительного потенциала и трансформация подвижных форм соединений железа 194
5.2 Изменение магнитной восприимчивости почв 209
5.3 Динамика содержания элементов питания 217
6 Матричная организация почв рисовых агроландшафтов 232
7 Оценка агрогенной трансформации лугово-черноземной почвы при рисосеянии 249
7.1 Изменение морфологических признаков почвы во времени 250
7.2 Изменение гранулометрического состава, физических и химических свойств почвы во времени 255
7.3 Ожидаемые тенденции изменения в почвообразовательных процессах 277
8 Продуктивность почв рисовых агроценозов 292
9 Оценка биоэнергетической эффективности возделывания риса 298
Выводы 303
Практические рекомендации 307
Список литературы 308
Приложения 355
- География и эволюция почв
- Морфологическая характеристика почв
- Ферментативная активность почв
- Оценка биоэнергетической эффективности возделывания риса
География и эволюция почв
Почвы, измененные периодическим затоплением и агротехническими приемами, необходимыми при выращивании риса, традиционно называют рисовыми (Paddy soils: от англ. названия рисового чека -pad) (Герасимова и др., 2003), акваризёмами ("аквориз" означает "затопляемый рис", "зем" земля) (Tuma, Kawaguchi, 1967), аквазёмами (Шишов и др., 2004). Их поверхность затоплена водой в течении всего или части вегетационного периода (Лозе, 1998). Они встречаются в широком географическом диапазоне, сформированные сложной системой специфических мероприятий как из гидроморфных, так и автоморфных почв (Герасимова, 2003). Вне зависимости от происхождения и ландшафтного расположения эти почвы переходят в особый режим использования, исходный профиль которых трансформируется под воздействием трех основных факторов: затопление водами, поступление с мутными водами взвесей и ила (puddling), периодический дренаж (Grant, 1960).
Рис выращивают в 113 странах преимущественно в тропических и субтропических поясах юго-восточной Азии. В Китае, Индии, Япония он известен уже более 4-5 тыс. лет (Grant, 1960; Шеуджен и др., 2012, 2016). В Европе эта культура возделывается в Испании, Италии, Греции и Турции; в Америке в основном культивируется в США и Бразилии. В Азии сосредоточено 93 % мирового производства риса, в Южной Америке - 4,3, Африке - 1,5, в Северной Америке - 1,2, в Европе - 0,6 % (Шеуджен и др., 2012).
На территории Российской Федерации рис выращивается в трех физико-географических зонах: Северный Кавказ (низовья рек Кубани, Дона, Терека, Сулака), Нижнее Поволжье (Калмыкия, Волго-Ахтубинская пойма в Астраханской области), Дальний Восток в Приханкайской низменности (район озера Ханка) (Тулякова, 1973; Шеуджен и др., 2016). Под посевы риса используют земли, не пригодные для других сельскохозяйственных культур из-за избыточного их увлажнения или же засоления (Кириченко, 1969). Значительная часть посевных площадей риса расположена в дельтах или по берегам рек (Грист, 1959).
В субтропических и тропических регионах юго-восточной Азии рис размещается на почвах разной кислотности – от кислых до слабощелочных. В Китае – на красных и желтых латеритных, ферралитных, желтоземных, коричневых субтропических почвах, а также на красноземах, засоленных, приморских и дельтово-аллювиальных равнин и почвах хейлуту (Боровский, 1969; Ларешин, 2003). Значительную площадь занимают также слегка оподзоленные почвы, большая часть которых имеет темную окраску, а некоторые почти черную. Они встречаются в долинах рек и озер на востоке провинции Сычуань и на юго-западе вдоль морского побережья, по дельтам небольших рек, затопляемых паводковыми водами. Они характеризуются почти полным отсутствием песка и приблизительно равным количеством глины и ила. Подзолистые рисовые почвы, образовавшиеся из древних красноземов, слабо плодородны. Красноземы, образовавшиеся из серо-бурых и бурых подзолистых почв или из аллювия в небольших долинах, более плодородны, чем почвы, образующиеся из латеритов (Грист, 1959).
Наибольшие площади посевов риса в Китае размещаются на почвах речных долин и дельт. На обширных аллювиально-дельтовых равнинах Янцзы, образующих рисовый массив, на молодых поверхностях, которые вышли из-под стихийных затоплений рекой более 100 лет тому назад, размещены аллювиально-луговые почвы слабощелочные, на более древних – культурно-поливные луговые кислые. Почвы сформированы на продуктах размыва и переотложений, принесенных рекой с запада и значительно изменяющихся в местах аккумуляции под влиянием почвообразования и выветривания (Боровский, 1959, 1969).
Другой разновидностью почв Китая, образовавшихся в результате многовековой земледельческой седиментации, являются почвы хейлуту (темная земля) (Розанов, 1959). Эти почвы распространены на лёссовом плато Китая, расположенном в среднем течении реки Хуанхэ. Их профиль нарастал в результате ежегодного внесения органических удобрений, включающих значительную долю минерального вещества. Мощность наросшего слоя, по данным А.Н. Розанова, составляет 0,5 м, а по сообщению Н.Н. Федорова – до 2,0 м (Александровский, 2005; Эволюция почв..., 2015).
Первое место среди стран по площади возделывания риса занимает Индия, а по урожайности Япония (Герасимова, 2003). Рисовые почвы Центральных Провинций Индии почти полностью сформированы на докембрийских породах Пуранского и Архейского возраста. Материал, образовавшийся в результате выветривания горной породы, подвергался изменению при вымывании дождями и смешивании с другими почвами (Грист, 1959). Рисовые плантации размещены в речных долинах и дельтах на различных аллювиальных и аллювиально-дельтовых, а также на латеритных, красноземных и черных («тропические черноземы» регуры), засоленных и щелочных, болотных и маршевых почвах (Боровский, 1969; Александровский, Chose et al., 1960).
Рисовые почвы Японии преимущественно аллювиального происхождения и достаточно плодородны. Но тем не менее некоторые из них являются деградированными и соответствуют рисовым подзолам или подзолистым почвам, площадь которых составляет 17 % от всей площади посевов риса в стране. Чаще всего деградированные почвы сформированы на переотложенных продуктах разрушения кислых вулканических пород, таких как гранит, кварцевый порфир, липарит, а также осадочных пород Титибу палеозойской эры (пермские и каменноугольные) и пород ряда Аракава сеномской эпохи мелового периода мезозойской эры. Породы вулканического происхождения обладают кислыми свойствами, осадочного – связаны с силикатными морскими отложениями (Мицуи, 1960).
В Бирме рис выращивается на светлых и темных луговых, темных слитых и красно-бурых сухих саванн, красновато-коричневых сухих лесов и кустарников, красновато-желтых муссонных тропических лесов, а также на различных аллювиальных и полуболотных почвах. Большинство из них деградированные (Карманов, 1965).
В странах приэкваториальной Западной Африки под рис используют желтые аллитные, красные ферраллитные, аллювиальные и болотные почвы (Ларешин, 2003); в Египте исходно сильно засоленные почвы (Попов, 2013); во Вьетнаме аллювиальные и дерновые приморские почвы с нейтральной и слабокислой реакцией и различной степенью оглеения, а также глеево-болотные, ферраллитные и засоленные почвы (Боровский, 1969); в средней части Кореи бурые лесные глинистые на алюво-делювии базальта, аллювиальные болотные глинистые солончаковатые на аллювиально-морских отложениях, аллювиальные луговые суглинистые на аллювиальных отложениях, приморский солончак глинистый на морских отложениях (Ким, 1985). Рисовые почвы Тайваня представлены песчаниками и светлоокрашенными глинистыми сланцами; в районах рисосеяния Италии преобладают опесчаненные глины (Грист, 1959).
В Иране рис выращивается на почвах речных пойм и предгорий южного побережья Каспийского моря на территории провинций Гилан, Голестан и Мазандран (Agricultural data..., 1999). Под рисовые поля используют каштановые почвы на элювиально-делювиальных отложениях, серо-бурые почвы на пролювиальных отложениях, серо-бурые засоленные почвы на пролювиально-делювиальных отложениях (Хесам Моуса, 2009).
В Таиланде рисовые почвы расположены на равнине Бангкока и плато Корат (Ткачев, 2008). Почвы равнины представлены глинистыми разновидностями аллювиального происхождения (Грист, 1959).
Аквазёмы Камбоджи сформированы на слабодренированных депрессиях, нижних частей склонов, древних и современных надпойменных террасах, озерно-аллювиальных равнинах: акваземы гумусово-ферралитные; акваземы гумусово-каолинитовые; акваземы гумусово-кварцаллитные; акваземы пластичные; акваземы гумусовые элювиально-глеевые (Багдасарян, 1994, Кашанский, 2008).
В Средней Азии и Южном Казахстане под рис используют болотные и лугово-болотные почвы, меньше аллювиально-луговые дельтово-аллювиальных равнин рек Аму-Дарьи, Сыр-Дарьи, Или и других, а также такыровидные пустынные почвы древних речных долин и светлые сероземы (Боровский, 1969).
На Украине основные площади под рисом расположены в Приморской части древней террасы дельты Днепра и пойме Дуная. В северной части древней дельты Днепра используют черноземы южные солонцеватые, осолоделые, луговые почвы; в южной темно-каштановые, каштановые солонцеватые почвы в комплексе с солонцами и солончаками. В дельте Дуная аллювиально-дерновые, луговые и болотные почвы разной степени засоления (Кириенко, 1985).
В Республике Крым почвы рисовых оросительных систем представлены тёмно-каштановыми, каштановыми, лугово-каштановыми, аллювиально луговыми почвами и солонцами луговыми (Половицкий, 1987; Драган, 2004).
На Дальнем Востоке под рис используют преимущественно почвы речных долин притоков Амура, Уссури, Сунгари, Бира, Биджан (лугово-буроземные, подзолисто-буроземные, бураземно-лугово-глеевые, лугово-болотные, болотные низинные дерново-подзолистые, дерново-подзолисто-болотные) (Боровский, 1969; Шеуджен и др., 2006).
Морфологическая характеристика почв
Традиционно обследование почв начинается с морфологического их описания. Многие выводы о генезисе, систематическом положении почв и их агропроизводственных свойствах базируются на данных морфологического анализа (Михайлов, 1975). Изучение любого предмета, человек в процессе познания всегда начинает с рассмотрения его внешнего облика, по которому отличает его от других предметов. Морфология (от греч. morphe – форма и logos – наука) – учение о форме – лежит в основе всех естественных наук. Как медицина начинается с анатомии человека, а зоология и ботаника – с анатомии животных и морфологии растений, так и почвоведение имеет своим начальным пунктом морфологию почв (Розанов, 2004). В ней отражены минералогический и гранулометрический составы, почвенные процессы, уровень плодородия. Сочетание морфологических признаков и свойств почв определяет внешний вид профиля, различия между генетическими горизонтами и служат основой их диагностики и классификации (Малков, 2006).
Вовлечение почв под посевы риса ведёт к преобразованию морфологического их строения и изменению характера и направленности почвообразовательных процессов (Розанов, Розанова, 1965; Munir, 1995; Ковда и др., 2009; Гуторова и др., 2013; Ларешин, Слободянюк, 2014). Контрастные изменения морфологии почвенно-генетических горизонтов начинаются с первого этапа освоения земель под рис (Кауричев, Ларешин, 1971). Рисовые почвы сформированы в результате изменения первоначальных (исходных) почв, частично или полностью нарушенных при строительстве рисовых оросительных систем. Многие ученые рисоводы Кубани основанием для их выделения в самостоятельный почвенный тип обозначают антропогенное изменение профиля; специфический, искусственно создаваемый водно-воздушный режим; цикличность окислительных и восстановительных процессов (Вальков и др., 1996, 2002). И по мнению В.Г. Ларешина и К.В. Слободянюка (2014): "Всё это обуславливает необходимость детальных исследований морфогенеза почв в условиях экстремального водного режима рисового поля".
Исследования проведены на лугово-черноземной почве, приуроченной к повышенным элементам рельефа (высокие чеки) и лугово-болотной, сформированной в замкнутых понижениях, западинах плавневой равнины (низкие чеки).
Для установления морфологических различий и преобладающих элементарных почвенных процессов была проведена сравнительная оценка почв, вовлеченных в рисовый севооборот с 1937 г. с почвами неорошаемых участков (богарные) и залежью. Первый участок богары расположен на повышенных элементах рельефа плавневой равнины, примыкающей к рисовой оросительной системе (разрез № 11). Второй богарный участок на пониженных формах рельефа (разрез № 6). Оба участка в рисовый севооборот никогда не вовлекались. Третий «богарный» участок – рисовое поле, выведенное в суходольный клин с 2007 года (разрез № 16). Участок залежи расположен на рисовой оросительной системе с момента ее эксплуатации (1937 г.) и не вовлечен в рисосеяние (№ 15).
Лугово-черноземная и лугово-болотная почвы, используемые в рисовом севообороте. Основные морфометрические данные лугово-черноземной почвы отражены в таблице 3. Почвообразующие породы – глинистые или тяжелосуглинистые аллювиальные отложения, имеющие светло-бурую или палево-бурую окраску, охристо-ржавые пятна и карбонатные новоразования. Уровень глубины грунтовых вод находится в диапазоне 1,60-2,20 м.
Характерной особенностью почв рисосеяния являются гидроморфные признаки, наблюдаемые уже с поверхности, в виде точек и прожилок ржавчины, охристых стяжений и пятен как следствие окисления соединений двухвалентного железа. В верхней части профиля образуются черные пятна и точки сульфидных соединений. Сильнее они проявляются после многолетних трав или первого года возделывания риса по ним (Гуторова, Шеуджен, 2016).
В средней части почвенного профиля выделяются глинистые потеки, указывающие на перемещение глины, в основном ее илистой фракции (лессивирование). Карбонатные новообразования представлены в форме белоглазки, журавчиков, карбонатного мицелия и мучнистых пятен. Глубина их залегания неодинаковая, что подтверждается границей вскипания от действия 10 %-ной HCl, варьирующая в диапазоне 35-60 см.
По степени выщелоченности карбонатов лугово-черноземная почва слабовыщелоченная, с глубиной вскипания ниже 40 см. В среднем, глубина появления карбонатных новообразований снижена до 49 см (диапазон колебания 39-62 см). Это свидетельствует о развитии процесса выщелачивания (Гуторова, Шеуджен, 2016).
По мощности гумусового слоя (А+АВ) лугово-черноземная почва мощная (82-114 см) с хорошо выраженной дифференциацией профиля на почвенно генетические горизонты: Апах – А – АВ – В – С или Апах – А – АВ1 – АВ2 – В – С.
Пахотный горизонт, мощностью 20 см, темно-серый, часто с сизоватым тоном, зернисто-комковатый, средне-, тяжелосуглинистый или глинистый, бескарбонатный, имеющий слаборазложившиеся растительные и корневые остатки с признаками гидроморфизма. Характер перехода в нижние горизонты постепенный и заметный. Вниз по почвенному профилю, на фоне соответствующего окислительно-восстановительного режима, окраска почвы приобретает бурый оттенок, а в некоторых горизонтах проявляются тона сизоватости; зернистая структура разрушена, в основном, она глыбистая, комковатая или же бесструктурная (вязкая почвенная масса); возрастает плотность сложения и карбонатность; в различной степени проявляются гидроморфные признаки (Гуторова, Шеуджен, 2016).
Для лугово-черноземной почвы характерна довольно сильное уплотнение почвенных горизонтов, которое связано, в большей степени, с антропогенными факторами, такими как чередование периодов увлажнения и иссушения, обусловленные спецификой возделывания риса, и действием тяжелой техники на почву во время уборки урожая, когда она еще находится во влажном состоянии. В нижней части профиля признаки уплотнения сформировались под действием выщелачивания карбонатов (Гуторова, Шеуджен, 2016).
Встречаются средне-, тяжелосуглинистые и глинистые разновидности лугово-черноземной почвы. Морфологическое описание среднесуглинистых разновидностей приведены в приложениях 2 и 3, почвенные разрезы – на рисунке 3.
Для почвенного разреза № 1 характерно проявление восстановительных процессов. Морфологически это выражено сизоватыми пятнами в средней и нижней частях профиля (горизонты АВ и В). Об периодичной смене анаэробных условий на аэробные указывают выделения охристых и ржавых пятен, особенно в поверхностных горизонтах Апах и А. Гранулометрический состав этих горизонтов среднесуглинистый, в средней части профиля вплоть до почвообразующей породы – тяжелосуглинистый. В бурой окраске нижележащих горизонтов проявляются темные пятна неясной формы, похожие на затеки гумуса. С глубиной почвы характерная зернисто-комковатая структура для пахотного слоя разрушается; плотность сложения увеличивается. Карбонаты располагаются выше линии вскипания от соляной кислоты, что указывает на их выщелачивание из пахотного горизонта.
Наличие с поверхности почвы охристых стяжений, пятен и прожилок ржавчин, особенно после двухлетнего ее пребывания под многолетними травами, указывает на довольно полное окисление оксидов железа (разрез № 4). После бобовых культур поверхностные горизонты Апах и А более рыхлые с зернисто комковато-порошистой или зернисто-комковатой структурой и обилием корневых остатков. Нижележащие горизонты более уплотненные, карбонаты выщелочены до глубины 60 см. Ниже пахотного слоя видны темные потёки разной формы, что указывает на подвижность органического вещества и вынос его за пределы профиля. Это связано с более легким гранулометрическим составом почвы. В пахотном горизонте почва среднесуглинистая, в нижележащих тяжелосуглинистая.
Ферментативная активность почв
Плодородие почвы тесно связано с её ферментативной активностью, показателем, объединяющим весь комплекс почвенных ферментов (Муха и др., 2013). А.Ш. Галстян показал, что для оценки биологической активности разных почв достаточно определение нескольких ферментов. Из оксидаз - каталазу, из карбогидраз - инвертазу, из амидаз - уреазу (Галстян, 1974).
Оценку ферментативной активности проводили для пахотного (0-20 см) и подпахотного (21-40 см) слоёв почвы. Из оксидоредуктаз, катализирующих окислительно-восстановительные процессы в почвах и играющих огромную роль в биохимических реакциях, определяли каталазу и ферриредуктазу. Из ферментов, принадлежащих к классу гидролаз, катализирующих реакции гидролитического распада высокомолекулярных органических соединений, обогащающих почву подвижными питательными веществами, определяли инвертазу и уреазу.
Инвертаза ф - фруктофуранозидаза - (сахароза, инвертаза), р фруктофуранозид фруктогидролаза). Инвертаза распространена в природе и встречается практически во всех типах почв. Её считают характерным показателем генетической принадлежности и биологической активности почв. Наличие в почве фермента инвертазы, принимающего участие в круговороте углерода, тесно связано с содержанием в ней органического вещества. Уровень инвертазной активности отражает содержание в почве легкогидролизуемых углеводов, которые служат энергетическим материалом для всех почвенных гетеротрофов. Легкогидролизуемые углеводы типа сахарозы и крахмала поступают в почву вместе с растительным опадом и корневыми выделениями растений. Мобилизация их совершается при участии двух ферментов - инвертазы и амилазы (Славнина, Инишева, 1987; Абрамян, 1992; Даленко и др., 2013).
Исследования показали, что почвы рисовых агроландшафтов Кубани по инвертазной активности могут быть оценены по шкале Д.Г. Звягинцева (1978) как среднеобогащенные (приложение 24). Наибольшей её активностью обладает пахотный 0-20 см слой почвы (20,42-37,13 мг глюкозы за 24 часа). Но уже с глубины 21-40 см активность инвертазы заметно снижается в 1,5-2,0 раза, что связано с меньшим содержанием в почве легкогидролизуемых углеводов (Славнина, Инишева, 1987).
В значительной степени инвертазная активность завесила от предшествующей культуры рисового севооборота. После пребывания лугово-черноземной и лугово-болотной почв под многолетними травами её активность значительно повышалась в пахотном слое в 1,6 раза по сравнению с другими предшественниками севооборота. При этом активность инвертазы по многолетним травам не уступала активности этого фермента для почв богарного землепользования (34,93-37,13 и 39,83 мг глюкозы на 1 г почвы за 24 ч) (рисунок 19).
Гидромелиоративное состояние рисового поля также оказало влияние на активность инвертазы. На низких чеках лугово-болотной почвы её активность была выше, чем на повышенных участках лугово-черноземной. Причем это установлено только для пахотного 0-20 см слоя, характеризующийся более повышенным содержанием гумуса. В более нижних слоях почвы отмечена обратная закономерность.
Длительное использование лугово-черноземной почвы под бессменное возделывание риса в течение 80 лет привело к снижению содержания в ней общего и легкоокисляемого водорастворимого гумуса (Шеуджен, Гуторова и др., 2017, 2018). В таких условиях активность инвертазы была подавлена и гидролиз сахаров протекал очень слабо. По сравнению с полями рисового севооборота активность инвертазы в пахотном и подпахотном слоях почвы бессменного посева риса была снижена в 2,0-3,0 раза.
На участке лугово-черноземной почвы, выведенного из-под рисосеяния и занятого, в момент исследований, посевом озимой пшеницы, активность инвертазы была довольно высокая не только в пахотном, но и в подпахотном слоях. Это связано с благоприятными гидротермическими условиями разложения растительных остатков и обогащением почвы легкогидролизуемыми углеводами (Славнина, Инишева, 1987).
Наибольшей активностью инвертазы отличался гумусово-аккумулятивный 0-20 см слой залежи (38,10 мг глюкозы) и пахотный 0-20 см слой богары (39,13 мг глюкозы на 1 г почвы за 24 ч). В слое 21-40 см слоя активность этого фермента в 1,5-2,5 раза снижалась, что связано с уменьшением гумуса (Шеуджен, Гуторова и др., 2017). По сравнению с богарой и залежью активность инвертазы в пахотном слое рисовых почв снижена в 1,5 раза, или на 33,76 и 31,97 % на высоких чеках и на 29,80 и 27,90 % на низких соответственно. В слое 21-40 см значительные различия не выражены.
Матрица парных коэффициентов корреляции между инвертазой и показателями плодородия почвы представлена в приложении 23. Установлены корреляционные связи с ферриредуктазой, уреазой, общим азотом и гумусом, находящиеся в диапазоне +0,63... +0,77. Активность инвертазы слабее зависит от содержания в почве водорастворимого гумуса (r= +0,44), гуминовых кислот (r= +0,54) и реакции среды (r= +0,38) (таблица 36).
Образовавшийся в результате уреазной реакции NH3 служит источником азотного питания растений. Поэтому активность уреазы считается одним из важных показателей биологической активности почв (Галстян, 1978; Казеев и др., 2012).
Активность уреазы в почвах рисовых агроландшафтов Кубани невысокая и по степени обогащенности по шкале Д.Г. Звягинцева (1978) относится к разряду бедной (приложение 25). Наибольшая активность этого фермента отмечена в пахотном слое почв, которая варьирует в диапазоне 5,36-10,13 мг NH3 на 10 г за 24 ч. В подпахотном слое почв активность уреазы меньше на 25,20-46,17 % (рисунок 20).
Активность уреазы, как инвертазы, зависела от предшественника риса и гидромелиоративного состояния рисовых полей. В лугово-черноземной и лугово-болотной почвах активность уреазы интенсивней проявлялась по посевам многолетних трав в результате обогащения их органическим веществом и азотом. После первого года выращивания риса по ним и занятого пара уреазная активность в пахотном слое почв снижалась на 12,56-26,35 %. Причем в лугово-болотной почве активность этого фермента больше на 28,15-39,49 % в слое 0-20 см и на 41,22-56,17 % в слое 21-40 см, чем в лугово-черноземной (рисунок 20).
К очень бедной по степени обогащения уреазой относится участок лугово-черноземной почвы, ежегодно, в течении 80 лет, используемый под посевы риса. Уреазная активность в пахотном и подпахотном слоях по сравнению с полями рисового севооборота снижена в 5,5-13,0 раз. Особенно сильно активность уреазы уменьшалась по сравнению с залежью (в 18,0-25,0 раз) и богарой (в 12,5-15,5 раз).
В лугово-черноземной почве, выведенной из рисового севооборота, активность уреазы близка к показателю периодически затопляемых почв рисовых полей (6,45-7,09 мг NH3 на 10 г за 24 ч).
Наибольшей активностью уреазы обладал гумусово-аккумулятивный слой залежи. В обогащенном остатками биоценоза 0-20 см слое залежи активность этого фермента больше в 2,5-4,5 раза, чем в почвах рисовых полей. Ниже этого слоя уреазная активность снижалась в 2 раза, но оставалась довольно высокой по сравнению с полями рисового севооборота и бессменным посевом риса.
В почве богары, как в пахотном, так и подпахотном слоях, активность уреазы была высокой и превышала в 1,5-3,0 раза почвы рисовых полей. Это указывало на более интенсивные процессы аммонификации, результатом которых является высвобождение аммиака как источника питания растений.
Активность уреазы зависит от содержания гумуса (r= +0,81), азота (r= +0,85) и реакции среды (r= +0,77). Уреаза коррелирует с ферриредуктазой, инвертазой, каталазой и дыханием почвы (таблица 37; приложение 23).
Оценка биоэнергетической эффективности возделывания риса
В последние годы наряду с традиционным методом экономического анализа все большее внимание привлекает биоэнергетическая оценка эффективности технологий возделывания различных сельскохозяйственных культур. Этот метод получил широкое признание в мире как универсальный способ оценки потоков антропогенной энергии в агроэкосистемах, позволяющий все разнообразие живого и овеществленного труда выразить в единых показателях в соответствии системой «Си» в джоулях (Дж), килоджоулях (КДж), мегаджоулях (МДж) и т.д. При этом в связи с ведущей ролью антропогенных факторов этот метод называют агроэнергетическим (Матюк, Полин, 2013).
Необходимо признать, что из-за нестабильности рыночной экономики не всегда можно объективно оценить агротехнические мероприятия в стоимостном выражении, особенно при сравнении эффективности по странам или во времени, так как они зависят от конъектуры цен на сырье, курса валют и инфляционных процессов (Фатыхов, 2005; Булаткин, 2008). Следует отметить и то, что "... биоэнергетический метод ни в коем случае не заменяет экономический анализ, но дает возможность сравнить эффективность агротехнологий при возделывании сельскохозяйственных культур с полным учетом всех категорий энергозатрат в единых показателях" (Шеуджен, Гуторова, 2018).
Энергетический метод использовали для сравнительной оценки эффективности возделывания риса в зависимости от мелиоративного состояния рисовых чеков и длительности возделывания риса. Исходными документами являлись технологические карты и нормативные энергетические эквиваленты (Положий, 1977; Система рисоводства..., 2005; Матюк, Полин, 2013; Методические указания..., 2016). Принцип используемого метода – определение совокупных энергетических затрат на выполнение отдельных технологических операций, включая прямые затраты энергоносителей и косвенные (овеществленные) материально-технических ресурсов, и энергетической ценности полученного урожая.
Коэффициент энергетической эффективности (энергоотдачи) рассчитывали по формуле (Система рисоводства..., 2005; Шеуджен, Трубилин и др., 2017):
Ке = Еу/Ес,
где Еу – энергосодержание урожая, ГДж/га;
Ес – суммарные энергетические затраты на реализацию агротехнологии, ГДж/га.
Структура затрат совокупной энергии на выращивание риса по периодам работ и отдельным технологическим операциям, выраженная в фактических (МДж/га) и относительных единицах (%), представлена в приложениях 50-52 и на рисунке 56.
По ресурсным затратам выращивания риса наибольший удельный вес приходится на орошение (55,2-56,6 %), сельскохозяйственную технику (15,5-16,1 %), меньше на удобрения (13,7-14,1 %) и горюче-смазочные материалы (9,6-10,9 %). Наименее энергоемкими оказались затраты трудовых ресурсов, электроэнергии и материальных средств (семена, пестициды). По периодам работ и технологическим циклам наибольшие затраты совокупной энергии приходились на уход за посевом 66,8-68,5 % и уборку урожая риса 11,6-11,9 % (Шеуджен, Гуторова, 2018).
Анализ структуры по отдельным статьям технологических работ показал, что в результате увеличения затрат на обработку почвы в условиях низких чеков возросли совокупные энергетические затраты (прямые и косвенные). Так, при выращивании риса на низких чеках было затрачено энергии 90,59 ГДж/га, что на 22,32 ГДж больше, чем на высоких. Это связано с дополнительными операциями по обработке, необходимыми для быстрого просыхания и хорошего рыхления пахотного слоя почвы, отличающегося повышенной влажностью и плотным сложением (1,34-1,46 г/см3). Остальные статьи затрат совокупной энергии не изменяются и остаются одинаковыми (Шеуджен, Гуторова, 2018).
Затраты совокупной энергии на бессменное возделывание риса по сравнению с севооборотом значительно снижены на 24,08-26,31 ГДж/га. Это связано с тем, что культура риса возделывается на фоне естественного плодородия почвы без применения агрохимических средств. На долю орошения приходится наибольшая часть совокупных энергетических затрат (77,8 %), другие затраты менее энергоемкие (сельскохозяйственная техника 10,6 %; семена 4,5, горюче-смазочные материалы 7,1; живой труд 0,02 %). По периодам работ больше всего энергии затрачивается на уход за посевом риса 78,7 %, значительно меньше на уборку урожая 8,8, посев риса 6,5 и обработку почвы 6,0 % (Шеуджен, Гуторова, 2018). Структура энергетических затрат на бессменное выращивание риса представлено в приложении 52.
Оценка биоэнергетической эффективности показала, что выращивание риса является энергетически эффективной отраслью растениеводства – коэффициент энергоотдачи Ке 1,0 (таблица 62).
Как видно из талицы 62, что при возделывании риса на высоких чеках, по сравнению с низкими, повышается коэффициент биоэнергетической эффективности на 0,25, отражающий отношение получаемой с урожаем энергии к затраченной. На высоких чеках количество энергии, накопленной в урожае риса, больше на 19,83 ГДж, чистого энергетического дохода на 22,07, а энергоемкость 1 т зерна меньше на 2,92 ГДж, чем на низких (Шеуджен, Гуторова, 2018).
В урожае бессменного посева риса количество энергии снижено в 3,5-4,0 раза, или на 66,36-86,19 ГДж/га, чем в урожае рисового севооборота. При высоких затратах и очень низком содержании энергии в урожае, а также высокой энергетической себестоимости 1 тонны зерна, коэффициент биоэнергетической эффективности бессменного возделывания риса составил 0,45, что ниже в 2,0-3,0 раза, или на 0,60-0,85, чем в условиях выращивания риса в севообороте (Шеуджен, Гуторова, 2018).
Таким образом, выращивание риса на высоких чеках способствует большему накоплению энергии в урожае (115,29 против 95,46 ГДж/га на низких чеках), получению высокого чистого энергетического дохода (26,94 против 4,87 ГДж/га) и является наиболее энергетически эффективным (Ке=1,30 против Ке=1,05 на низких чеках). Бессменное возделывание риса энергетически не эффективно – количество энергии, накопленной в урожае, не сопоставимо с затратами антропогенной энергии (Ке=0,45).