Длительное изменение мелиорированных каштановых солонцовых почв после однократной роторной внутрипочвенной механической обработки

Введение. Динамика свойств почвы при различных вариантах мелиорации представляет теоретический интерес в связи с исследованием поведения почвенной системы в условиях значительных природных и техногенных трансформаций почвенного профиля, влияющих на генезис почвы продолжительное время [1—4]. Мелиоративный эффект от глубокого рыхления пассивными рабочими органами, щелевания (чизелевания) сохраняется 2—4 года, от трёхъярусной вспашки — б— 8 лет. Такая продолжительность оценивается как недостаточная. Изучение длительного изменения почвы после мелиорации позволяет разработать перспективные технические средства мелиорации, базирующиеся на принципах биогеосистемотехники [5]. Использование этих методов способствует реализации задачи устойчивого, непротиворечивого управления биогеосистемой [1, 5— 13]. В рамках предлагаемого научного направления рекреационной биогеосистемотехники разработана и апробирована циклическая природоохранная ресурсосберегающая почвенно-мелиоративная агротехника солонцовых почв [5].

Материалы и методы. Необходимо создание долговременных моделей управления почвенным покровом, обоснованных экономических инструментов их реализации на период 10—15 и более лет [5, 8]. При использовании стандартных приёмов мелиорации происходит временное улучшение почвы, при этом наблюдаются устойчивые признаки восстановления её исходных свойств в будущем [6].

Объект исследований: комплексы солонцовых засолённых каштановых почв сухой степи (в России сейчас около 30 млн га) [5].

Рабочая гипотеза: роторное рыхление глубоких слоёв почвы как альтернатива трёхъярусной мелиоративной вспашке солонцовой почвы [6,14].

Техническое средство: почвенно-мелиоративный ротационный фрезерный плуг ПМС-70, разработанный в 1970 году (рис. 1) [6,15].

Рис. 1. Устройство для почвенно-мелиоративной ротационной фрезерной обработки почвы ПМС-70, вид сбоку:

1 — механический привод; 2 — рыхлящий нож; 3— редукторная стойка; 4 — ротационно-фрезерный рыхлитель иллювиального и подсолонцового горизонтов почвы; 5— пассивный плужный корпус для обработки верхнего слоя почвы

Предмет исследований: поиск оптимального варианта глубокой мелиоративной обработки почвы, обеспечивающего резкое увеличение длительности мелиоративного процесса, стартовых условий долговременной устойчивости почвенного покрова [5].

Один из почвенно-мелиоративных стационаров роторно-фрезерной обработки почв был заложен [5] в колхозе «Ленинский путь» (ныне СПК «Веселовский») Дубовского района Ростовской области в 1972 г.

Объект исследований: комплекс солонцовых каштановых почв (солонцы — 25 % площади комплекса).

Схема длительного стационарного эксперимента

• 1.    Отвальная обработка почвы на глубину 20—22 см (стандарт зональной агротехники, рекомендации о ведении агропромышленного производства [7]) — контроль.

• 2.    Трёхъярусная обработка почвы на глубину 45 см серийным плугом ПТН-40 (стандарт мелиорации почв [7]).

• 3.    Обработка почвы ротационно-фрезерным плугом ПМС-70 на глубину 45 см [6,14—16].

После однократного выполнения агромелиорации в вариантах 2, 3 весь опытный участок до настоящего времени обрабатывается согласно зональной агротехнике с отвальной обработкой почвы.

В ходе исследования с использованием стандартных методов изучались следующие свойства почвы:

• —    морфологические и агрофизические (структурный анализ по Саввинову, плотность почвы буровым методом Качинского);

• —    распределение сульфата бария в почве (рентгеновский метод);

• —    режим влажности почвы (термостатно-весовой метод);

• —    химические и физико-химические свойства почвы (анализ водной вытяжки с применением стандартных методик определения катионно-анионного состава, определение pH потенцио-

• метрическим методом, карбонатов — по Шейблеру, гумуса — по Тюрину с окончанием по Орлову-Гриндель, состав ППК — по Пфефферу в модификации Молодцова-Игнатовой);

• —    структура почвенного покрова (СПП);

• —    структура растительного покрова и биометрические параметры агрофитоценоза по створам, урожайность на закреплённых стационарных площадках.

Проводилась статистическая обработка экспериментальных данных и определялись экономические показатели возделывания сельскохозяйственных культур [8].

Результаты и обсуждение.

Морфологические свойства почвы. Отмечены значительные различия морфологических свойств почв по вариантам эксперимента (табл. 1).

Таблица 1

Распределение карбонатов по профилю при различной обработке солонцовой почвы, % (колхоз «Ленинский путь», 1972 г.)

Глубина отбора образца, см	0-10	10-20	20-30	30—40
Отвальная обработка, 20—22 см, контроль	0,0	0,0	0,2	6,9
Трёхъярусная обработка почвы, ПТН-40, 40^5 см	0,9	2,4	1,7	4,2
Роторно-фрезерная обработка почвы, ПМС-70, 40^-45 см	0,0	0,2	3,2	7,6

В результате проведения трёхъярусной обработки почвы плугом ПТН-40 на глубину 40— 45 см в поверхностный горизонт почвы выносится большое количество карбонатов. Это свидетельствует о несоблюдении теоретической схемы мелиорации в её стандартном исполнении. При роторно-фрезерной обработке почвы плугом ПМС-70 на глубину 40—45 см вынос карбонатов на поверхность почвы практически отсутствует, они равномерно рассредоточиваются в подлежащем мелиорации слое почв 20—45 см.

Рис. 2. Структура солонцовой каштановой почвы через 30 лет после трёхъярусной обработки

Через 30 лет после трёхъярусной обработки солонцовой почвы в слое 20—40 см видны не разрушенные обработкой блоки иллювиального, подсолонцового горизонта солонца (рис. 2). Блоки непроницаемы для влаги и корней культурных растений.

После роторной фрезерной обработки ПМС-70 почва становится гомогенной и состоит из мелких однородных по размеру агрегатов на всю глубину обработки. Отсутствуют морфологические предпосылки восстановления солонцового педогенеза.

Агрофизические свойства почвы. Крошение и перемешивание почвы в обрабатываемом слое характеризуют данные агрегатного состава почвы по вариантам опыта (табл. 2).

С точки зрения почвообразования значим размер частиц почвы, получаемых в процессе роторно-фрезерной обработки. Фактически речь идёт о выборочном ускоренном геологическом выветривании, запускаемом в почве той или иной обработкой. Частицы почвы фракции 1—3 мм органично сочетаются с ризосферой и создают значительно меньше механических препятствий её развитию, чем при трёхъярусной обработке.

Таблица 2

Содержание фракций 1—3 мм при различной обработке солонцовой почвы, % (колхоз «Ленинский путь», 1972 г.)

Глубина отбора образца, см	Солонец до обработки	Отвальная обработка, 20—22 см, контроль	Трёхъярусная обработка, ПТН-40, 45 см	Роторно-фрезерная обработка, ПМС-70, 45 см
0-20	8,2	14,4	15,9	33,7
20—40	21,3	17,1	20,8	39,6

Плотность почвы при отвальной обработке на глубину 20—22 см существенно превышала критическое значение показателя для каштановых почв (1,35 г/см3). Наилучшие показатели плотности в период действия мелиоративной обработки получены в варианте ПМС-70.

Режим влажности почвы. При стандартной зональной агротехнике в контрольном варианте имеет место слабое проникновение влаги внутрь почвы.

После обработки ПТН-40 водопроницаемость почвы выше, чем в контрольном варианте.

Установлена высокая водопроницаемость почвы после её роторной обработки плугом ПМС-70.

Химические свойства почвы. При стандартной агротехнике нет условий для освобождения почвы от легкорастворимых солей [6,10,11].

После трёхъярусной обработки ПТН-40 внутри не разрушенных механической обработкой блоков почвы не развиваются внутренние поверхности. Продукты обменных реакций, легкорастворимые соли не вовлекаются в активный процесс влагосолепереноса в почве. Сохраняются устойчивые механизмы реставрации исходных солевых свойств почвы [6].

После обработки ПМС-70 более мощная корневая система расходует влагу из более глубокого опреснённого мелиорированного слоя, здесь интенсивно протекают фитомелиорация, само-мелиорация за счёт вовлечённых в агромелиоративный процесс сульфатов и карбонатов. Почва и агроландшафт приобретают большую устойчивость.

Содержание гумуса в нетронутых агротехникой каштановых почвах относительно небольшое и составляет около 3 %, в солонцах — до 3 %. Стандартная агротехника приводит к тому, что количество гумуса в верхнем (0—20 см) слое составляет 2 % и менее, в слое 20—40 см — 1—1,3 %.

После стандартной мелиоративной обработки ПТН-40 эти показатели в среднем выше: в слое 0—20 см — до 2,2 %, в слое 20^0 см — до 1,5 %. Эффект от мелиорации сказывается только в верхней части гумусового слоя. Гумусовый материал при обработке просыпается внутрь почвы, и плодородие со временем снижается.

После обработки ПМС-70 количество гумуса в слое 20^0 см достигает 3,3 %, в слое 20— 40 см — 2,4 %.

Физико-химические свойства почвы. После отвальной обработки солонцовые почвы имеют поглощённый натрий в количестве 19,8 % ёмкости катионного обмена почвы.

После трёхъярусной обработки каштаново-солонцового комплекса почв содержание поглощённого Na+ в солонцах через 30 лет составляет 15,6 %.

Наилучшие показатели по составу поглощённых катионов отмечены после обработки ПМС-70. Через 30 лет после почвенно-мелиоративной ротационно-фрезерной обработки количество поглощённого Na+ составляет 10,6 % ёмкости катионного обмена почвы.

Биометрические параметры агрофитоценоза. В первом варианте эксперимента ризосфера развивается только в верхнем слое почвы, что стимулируется механической обработкой.

Во втором варианте ризосфера развивается в верхнем слое почвы и, частично, глубже (преимущественно в зонах просыпания рыхлого поверхностного горизонта почвы после её глубокой механической обработки).

В третьем варианте ризосфера равномерно развивается во всём обработанном 40^45 см слое почвы. В этом случае ризосфера образует мощный каркас. Он удерживает новую благоприятную структуру почвы, биологически стабилизирует реакцию среды в районе pH = 7,0—7,3. Это, в свою очередь, положительно сказывается на составе поглощённых катионов почвы. Снижается утрата структуры почвы в циклах «увлажнение — высушивание». Корневая система достаточно равномерно распространяется по обработанному слою. Преобладают тонкие корни. Ризосфера имеет габитус, больше характерный для черноземов.

Прибавка урожайности после однократной обработки мелиоративным орудием ПМС-70 составляет 25—60 % и более (к уровню стандартной технологии земледелия). Такая ситуация сохраняется на протяжении более чем 30 лет. В таблице 3 приведены данные учёта биологической продуктивности растений озимой пшеницы 2005 году. Именно в этом году был отмечен особый рост урожайности.

Результаты исследований рассмотрены с точки зрения экономических представлений [8] на примере 2004—2005 сельскохозяйственного года. Агромелиорация почв орудием ПМС-70 даёт стабильные экономические показатели, которые являются более высокими как по отношению к стандартной агротехнике, так и по отношению к типовой мелиоративной агротехнике.

Таблица 3

Экономические показатели, 2005 г.

Вариант обработки	Урожайность, т/га	Затраты технологии выращивания, руб./га	Приведённые затраты амортизации устройства, руб./га	Условно чистый доход, руб./га	бельность, %	Себестоимость единицы продукции, руб./т
Отвальная, 20— 22 см, контроль	2,05	2900,00	—	3455,00	119,1	1414,6
Трёхъярусная, ПТН-40, 45 см	2,55	3400,00	300,00	4205,00	123,7	1451,0
Роторнофрезерная, ПМС-70, 45 см	3,98	3850,00	233,33	8254,67	214,4	1026,0

Данные о технологических, биологических и экономических показателях роторных фрезерных почвообрабатывающих устройств прошлого поколения показывают их преимущество перед стандартным техническим решением глубокой мелиоративной обработки почвы — трёхъярусным плугом ПТН-40. Это свидетельствует о необходимости разработки технических средств рекреационной биогеосистемотехники нового поколения [17—19].

Заключение. Рассмотренный вариант почвенной мелиорации комплекса солонцовых почв сухой степи позволяет корректно и превентивно управлять СПП в рамках точной агротехнологии (precise technology), оптимизировать гомеостаз солонцовой почвы, формирующейся после агромелиорации.

Стагнация новой экосистемы протекает так, что период её возврата в регионально обусловленное состояние увеличивается. Если сравнивать с эффектами от глубокого рыхления пассивными рабочими органами, щелевания (чизелевания), трёхъярусной вспашки, то после роторной вспашки биогеосистема дольше сохраняет потребительские свойства. В этом заключается рекреационная сущность предлагаемого варианта биогеосистемотехники.

Социальный эффект рекреационной биогеосистемотехники следует оценивать с учётом повышения стоимости земельных угодий при проведении финансовых операций. Это имеет нема- ловажное значение для роста деловой активности в регионе. В свою очередь, деловая активность повышает привлекательность территории для проживания и поддерживает развитие социальных программ.

Циклическая природоохранная ресурсосберегающая почвенно-мелиоративная агротехника солонцовых комплексных почв — это инновационный проект. Он позволяет выработать агротехнику для разнообразных почв тяжёлого гранулометрического состава с элювиальноиллювиальным почвенным профилем согласно современной парадигме природопользования. Появляется возможность принимать упреждающие технологические меры, в том числе отвечающие условиям потепления климата Земли, корректно определять приоритеты инноваций в аграрной технологии. Экономнее расходуются привлечённые ресурсы, сохраняются почвы. Производство экологически чистой биологической продукции увеличивается в 1,5—2 раза.

Использование принципов рекреационной биогеосистемотехники позволяет создавать почву как производственную среду нового уровня, которая будет сохранять эффективность в течение длительного времени. В этом случае высокие результаты производственной деятельности дадут ещё и прямой рекреационный эффект.