Динамика углерода подвижного гумуса в агрочерноземе при возделывании яровой пшеницы с помощью ресурсосберегающих технологий

Все органические вещества (ОВ) в почве можно разделить на различные компоненты по степени их устойчивости к микробному разложению. С этой точки зрения принято все многообразие органических соединений в почве разделять на две большие группы: легкоминерализуемые и устойчивые органические вещества [6, 14]. К легкоминерализуемой части ОВ почвы мы относим растительные остатки, микробную биомассу и подвижный гумус. Подвижный гумус – это комплекс веществ гумусовой природы, которые легко переходят в растворимую форму, сюда относятся водо-и щелочегидролизуемые органические соединения. Водорастворимые компоненты представлены неспецифическими (аминокислоты, углеводы, органические кислоты) и специфическими (фульво-кислоты) органическими веществами. Щелочерастворимые (в 0,1 н. NaOH) ОВ – это в основном новообразованные гуминовые и фульвокислоты, которые не имеют прочной связи с твердой фазой почвы, они могут одновременно вовлекаться в процессы минерализации и гумифицироваться, обновляя стабильный гумус. Устойчивый (стабильный) гумус представляет инертную часть гумусовых молекул, которые прочно связаны с минеральной частью почвы и слабо подвергаются биодеградации. Подвижные ОВ быстро вовлекаются в динамические процессы, реагируют на изменения внешних условий, поэтому являются одним из индикаторов качества почв и уровня их эффективного плодородия [11, 13–15].

Цель исследований : количественная характеристика содержания, запасов и динамики углерода подвижных гумусовых веществ агрочернозема при возделывании яровой пшеницы в условиях отвальной, минимальной и нулевой обработки почвы.

Объекты и методы исследований. Исследования проводились в 2012 г. на территории Красноярской лесостепи в УНПК «Борский» Красноярского ГАУ в полевом опыте на сорте яровой пшеницы Новосибирская-15. Смешанные образцы почвы отбирали в 4-кратной повторности только на контрольных вариантах (без применения удобрений) с отвальной, минимальной и нулевой обработкой почвы. Предшественник – пшеница, предыдущая обработка – отвальная вспашка. Почвы на участке исследований представлены комплексом агрочерноземов глинисто-иллювиальных (выщелоченных) и агрочерноземов криогенно-мицелярных (обыкновенных) тяжелосуглинистых на карбонатном тяжелом суглинке.

Агрохимические свойства агрочернозема определяли общепринятыми методами [1]. Содержание углерода гумуса в почвенных образцах определяли микрохромовым методом И.В. Тюрина. Углерод водорастворимого ОВ – методом бихроматной окисляемости; углерод щелочерастворимого ОВ и в его составе углерод гуминовых и фульвокислот – в 0,1 н. щелочной вытяжке по И.В. Тюрину в модификации В.В. Пономаревой и Т.А. Плотниковой [1].

Результаты и обсуждение исследований . Изученные агрочерноземы имеют среднемощный и мощный гумусовый горизонт со средним содержанием гумуса 4,7–5,8 %, его распределение по профилю почвы – постепенно убывающее. Емкость катионного обмена в гумусовом горизонте высокая и очень высокая – от 32 до 48 мг-экв/100 г почвы. Реакция среды колеблется от близкой к нейтральной в верхней части профиля до слабощелочной в материнской породе.

Содержание водорастворимого углерода гумуса при отвальной вспашке было самым высоким и составило 67,6 мг/100 г, коэффициент вариации средний – 20,9 %. При нулевой обработке почвы концентрация Сн20 достоверно снизилась и составила 30,3 мг/100 г. При минимальной обработке достоверного снижения или повышения Сн20по отношению к отвальной вспашке не обнаружено, однако коэффициент вариации данных при отсутствии или минимизации обработки значительный – 42–47 % (табл. 1). Таким образом, при нулевой обработке в первый вегетационный сезон, несмотря на увеличение количества растительных остатков, образование водорастворимых гумусовых веществ в почве незначительное, возможно, это связано со снижением биологической активности агрочернозема, так как почва уплотняется, и поступление кислорода, необходимого гетеротрофным микроорганизмам для разложения, становится затруднительным [7, 8, 13].

Содержание и пространственное варьирование углерода подвижного гумуса в агрочерноземе

Таблица 1

Обработка	Содержание, мг/100 г	Средняя	min	max	Коэффициент вариации,%
1	2	3	4	5	6
СК 05 05 I £ э m о О “	Сн20	67,6±8,2	52,8	81,0	20,9
	С NaOH :	311,3±30,3	259,1	364,2	16,9
	Сгк	167,2±20,0	109,6	287,7	24,3
	Сфк	143,8±19,6	92,4	188,2	35,9
СК аз со Ф ZE	Сн20	30,3±9,5	25,3	44,3	41,5
	С NaOH :	313,1±35,1	246,6	365,4	19,4
	Сгк	186,5±31,8	111,3	296,2	27,3
	Сфк	126,5±23,6	93,6	192,5	36,4

Окончание табл. 1

1	2	3	4	5	6
СК аз аз S	СН20	56,1±12,2	40,5	86,4	46,9
	С NaOH :	317,6±47,6	222,8	371,5	25,9
	Сгк	204,6±30,7	123,4	267,5	27,4
	Сфк	112,4±29,6	99,8	154,7	36,2
CL о ZE	СН20	13,3
	С NaOH	51,7
	Сгк	39,7
	Сфк	40,1

Достаточно высокое содержание углерода водорастворимого гумуса при отвальной вспашке можно объяснить интенсивным перемешиванием, измельчением и аэрацией пахотного слоя почвы вместе с растительными остатками, что стимулирует деятельность микроорганизмов и приводит к накоплению в почве продуктов трансформации органического вещества [7]. При минимальной обработке, в отличие от вспашки, почва боронится на небольшую глубину, но в нее поступает больше мортмассы, это активизирует деятельность микроорганизмов, и водорастворимые гумусовые вещества формируются также активно, как и при отвальной обработке почвы.

Среднее содержание щелочегидролизуемого углерода гумуса при отвальной, минимальной и нулевой обработке не имело достоверных различий и оказалось в пределах 311–317 мг/100 г, коэффициент пространственной вариации данных был средним (16–26 %). Однако в течение вегетации мы обнаружили существенные различия в динамике подвижного гумуса, в зависимости от применяемой обработки. Как известно, на интенсивность и удельную скорость разложения органического вещества оказывает влияние количество растительного материала, химический состав (отношение С/N) остатков растений, а также температура, влажность и окислительновосстановительные условия [4, 10]. В данном случае, при возделывании яровой пшеницы с помощью отвальной вспашки, нулевой и минимальной обработки, главными факторами, определяющими процессы трансформации органического вещества, становятся количество растительного опада, наличие доступной влаги и кислорода в почве.

На рисунке 1 представлена динамика содержания углерода подвижного гумуса и в его составе динамика углерода новообразованных гуминовых и фульвокислот в агрочерноземе в течение вегетационного периода 2012 г. Погодные условия этого периода можно охарактеризовать, как более жаркие и засушливые по сравнению со средними многолетними значениями (табл. 2). Меньше всего осадков отмечено в июне и июле, в этот период их количество было всего около 30–35 % от нормы. В связи с этим влажность почвы в июле, когда были исчерпаны запасы влаги зимневесеннего периода, оказалась ниже 50 % от НВ. Самым влажным был август – выпало 68,2 мм осадков, в этот период их количество превысило среднемноголетнюю норму на 10 %, и ГТК составил 1,5, а влажность почвы оказалась на уровне 70 % от наименьшей влагоемкости. Общее количество влаги за вегетационный период 2012 г. составило 134 мм, что намного ниже среднемноголетних значений, в результате за вегетацию 2012 г. ГТК составил 0,75. Однако следует отметить, что в течение всей вегетации при нулевой технологии обработки в верхнем 20 см слое почвы было больше доступной влаги, чем при отвальной вспашке и минимальной обработке.

Таблица 2

Параметр	Июнь	Июль	Август
Температура воздуха, 0С	19,1	19,8	14,7
Осадки, мм	14,9	27,2	68,2
Влажность почвы,%: отвальная обработка	34,5	21,0	31,9
нулевая обработка	34,9	22,2	32,0
минимальная обработка	31,2	19,3	30,0
Влажность почвы, % от НВ: отвальная обработка	76,1	47,7	72,5
нулевая обработка	79,3	48,2	72,7
минимальная обработка	70,9	43,9	68,2

Погодные условия и влажность агрочернозема в период вегетации 2012 г .

Динамика содержания щелочегидролизуемого углерода гумуса в агрочерноземе во многом определяется динамикой содержания углерода новообразованных гуминовых кислот. Содержание углерода фульвокислот в изученных агрочерноземах в течение вегетации достоверно не изменяется и остается на одном уровне при разной обработке почвы. Это объясняется особыми условиями черноземного процесса почвообразования в лесостепной зоне Красноярского края, при которых гумус имеет ярко выраженный гуматный и фульватно-гуматный тип [2]. Эта тенденция, на наш взгляд, сохраняется и для новообразованных гумусовых веществ. Отношение Сгк/Сфк в подвижном гумусе составляло от 1,3 до 4,4 в течение вегетации, а в среднем при отвальной обработке было 2,1; при нулевой обработке – 2,5; при минимальной обработке – 2,3, что говорит о гуматном типе новообразованного гумуса.

В начале июня содержание щелочегидролизуемого углерода гумуса в почве при отвальной и минимальной обработке было на уровне 230–260 мг/100 г, при нулевой обработке оказалось около 370 мг/100 г.

В конце июня, при значительном снижении осадков и возрастании температуры, происходит увеличение концентрации щелочегидролизуемого углерода гумуса за счет увеличения концентрации гуминовых кислот при отвальной и минимальной обработке почвы, а при нулевой технологии содержание углерода гуминовых кислот остается на прежнем уровне.

В июле при отвальной вспашке и нулевой обработке происходит достоверное снижение содержания подвижного гумуса до 240–170 мг /100 г, при минимальной обработке содержание С NaOH остается на прежнем уровне. С резким увеличением количества осадков, понижением температуры и поступлением в почву опада пшеницы в августе содержание углерода гуминовых кислот в агрочерноземе увеличивается при отвальной вспашке и нулевой обработке, а при минимальной обработке сокращается на 30 %.

Таким образом, при отвальной вспашке и нулевой обработке характер динамики содержания подвижного гумуса схожий, обнаруживаются пики в июне и августе, а в июле содержание углерода новообразованного гумуса снижается. При минимальной обработке содержание щелочегидролизуемого углерода гумуса снижается к августу. Причины этому могут быть разные, при отвальной вспашке снижение концентрации СNaOH может быть вызвано минерализаций новообразованного гумуса, а при нулевой и минимальной обработке – его дальнейшей гумификацией. Применение нулевой и минимальной технологии исключает активное перемешивание гумусного горизонта почвы, в результате уменьшается его аэрация, возможно, это способствовало замедлению биодеградации уже существующих гумусовых веществ и переходу новообразованного гумуса в более инертную и конденсированную форму. Все это могло отразиться на увеличении содержания гумуса в почве в течение вегетации 2012 г. По нашим данным, содержание гумуса при нулевой обработке увеличилось на 0,35 мг/100 г, что составило 7,2 % по отношению к его содержанию при отвальной вспашке. Коэффициент пространственного варьирования гумуса при нулевой обработке достигает 19 %, следовательно, такое увеличение содержания гумуса не достоверно. Для более точного анализа и выявления закономерностей в динамике содержания гумуса под влиянием способа обработки почвы необходимо не менее 5–10 лет исследований на одном участке.

Исходя из концентрации гумусовых веществ и плотности сложения пахотного слоя [8], мы определили их запасы. Запасы стабильного гумуса в изученном агрочерноземе были 46–51 т/га, или 85–87 % от всего запаса гумусовых веществ в почве (рис. 2).

Нулевая обработка

^н С щел         ^^^^^^^w Сгк               Сфк

^н С щел         ^^^^^^^в Сгк               Сфк

Рисунок 1 – Динамика содержания углерода подвижных компонентов гумуса в агрочерноземе при разных технологиях обработки почвы, мг/100 г: Сщел – щелочегидролизуемый углерод гумуса; Сгк – углерод новообразованных гуминовыхкислот;

Сфк – углерод новообразованных фульвокислот

Рисунок 2 – Запасы углерода стабильного и подвижного гумуса в агрочерноземе, т/га: С стаб.гумуса – углерод стабильного гумуса;

С NaOH – щелочегидролизуемый углерод гумуса; С – водорастворимый углерод гумуса

Консервативная и наибольшая часть гумуса не участвует в динамических процессах биологического круговорота, она обеспечивает стабильность почвенных признаков и свойств на протяжении длительного периода. Подвижный гумус постоянно обновляется за счет протекающих в почве процессов минерализации и гумификации, его запас в почве незначительный, но именно он обеспечивает ее отклик на внешние воздействия и формирует часть эффективного плодородия [1 2, 15]. Запасы водорастворимого гумуса составили от 0,7 до 1 т/га, или 1–2 %, запасы щелочегидролизуемого углерода гумуса оказались 5,5–6,9 т/га, или 11–13 % от всего углерода гумуса.

Выводы:

• 1.    В первый год применения ресурсосберегающих технологий возделывания пшеницы содержание водорастворимого углерода гумуса при нулевой обработке достоверно снизилось на 44,8 % по отношению к отвальной вспашке. Это может быть обусловлено уплотнением пахотного слоя, ухудшением аэрации и снижением биологической активности агрочернозема. При минимальной обработке содержание водорастворимого углерода гумуса было на уровне 50–60 мг/100 г, достоверных изменений по сравнению с отвальной вспашкой не обнаружено.

• 2.    Динамика содержания щелочегидролизуемого углерода гумуса в агрочерноземе во многом определяется динамикой содержания углерода новообразованных гуминовых кислот. Отношение Сгк/Сфк в подвижном гумусе при отвальной обработке было 2,1; при нулевой обработке – 2,5; при минимальной обработке – 2,3, что говорит о гуматном типе новообразованного гумуса.

• 3.    В варианте с минимальной обработкой динамика содержания щелочегидролизуемого углерода гумуса отличается резким возрастанием в середине июля и постепенным снижением к августу. При нулевой обработке и отвальной вспашке наблюдалось резкое снижение концентрации щелочегидролизуемого углерода гумуса в самый засушливый и жаркий период в июле. Однако среднее содержание С NaOH не имело достоверных различий в зависимости от обработки почвы и составило 311–317 мг/ 100 г.

• 4.    Запасы подвижных и стабильных компонентов гумусовых веществ не имели существенных различий в зависимости от способа обработки почвы в первый год применения ресурсосберегающих технологий. Запасы углерода подвижного гумуса в агрочерноземе были около 6–7 т/га, или 12–15 % от всего запаса гумуса. Запасы углерода стабильного гумуса преобладали и были около 85–87 %.