Экологическое состояние почв Ростовской области при использовании технологии прямого посева

России в последнее время, но сведения о ее воздействии на биоту, биологическую активность и экологическое состояние почв практически отсутствуют.

Цель исследования: диагностика экологического состояния почв Ростовской области при использовании технологии прямого посева.

Объекты и методы исследования. Полевые и лабораторно-аналитические исследования выполнены с использованием традиционных методов биологии, почвоведения, экологии, агрохимии в полевых условиях и лабораториях Академии биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского Южного федерального университета [7]. Для выполнения работы были заложены мониторинговые площадки на полях ООО «Донская Нива» и ИП Мокриков В.И. (Октябрьский район Ростовской области). Проведены динамические наблюдения (3 раз в году) за опытными полями, сельскохозяйственными культурами и свойствами почв. Опытные поля возделываются по технологии прямого посева в течение 7 последних лет и заняты, преимущественно, озимой пшеницей. При технологии прямого посева минимизируется воздействие машин на почву и получаются такие же или более высокие урожаи по сравнению с соседними хозяйствами, которые используют традиционную (отвальную вспашку) или минимальную обработку почв. Традиционная технология с отвальной вспашкой, боронованием, культивациями применяется на контрольных полях, расположенных в непосредственной близости от опытных полей на расстоянии от 30 до 200 м. Это облегчает сравнение применяемых агротехнологий. Исследуемые почвы относятся к черноземам обыкновенным среднемощным малогумусным и слабогумусированным. Эти почвы широко распространены на юге России [1].

Для достижения поставленной цели в полевых условиях были исследованы следующие показатели: температура, влажность, плотность, сопротивления пенетрации и дыхание почв (выделение почвой углекислого газа). Температуру почв определяли послойно электронным термометром Hanna Chectemp. Влажность почвы определяли в полевых условиях влагомером с датчиков Dataprobe в 10-кратной повторности на каждом участке. Твердость почв (сопротивление пенетрации) исследовали в полевых условиях с помощью пенетрометра Eijkelkamp на глубину 45 см с интервалом 5 см в 10-кратной повторности. Определение интенсивности дыхания почв проведено в полевых условиях с помощью газоанализатора ПГА-7 в 4-8-кратной повторностях. Целлюлозолитическую активность определяли весовым методом по убыли в весе закопанных в почву на глубину 0-10 см на 20 (первый срок) -30 (второй-третий сроки) суток хлопчатобумажных полотен. Для максимального соприкосновения с почвой и удобства нахождения в полевых условиях полотнами обшивали пластиковые пластины шириной 5 см и высотой 30 см. Поверх ткани пластины обшивали синтетической сеткой для полноты извлечения из почвы разложившейся хлопчатобумажной ткани. Повторность 3-кратная.

Результаты исследования. Биота и биологическая активность почв в значительной степени зависят от экологических факторов среды. Исследование температурного режима показало достаточно равномерное распределение данных на всех исследуемых участках. Была выявлена сезонная динамика хода температуры, достаточно типичная для данной территории. В целом можно сказать, что первый срок был теплым, второй – жарким, третий – прохладным. Это относится не только к дневным температурам, но, особенно ночным. В первые два срока температура почвы благоприятствовала высокой скорости протекания биологических процессов. В сентябре вследствие снижения температуры биологические процессы должны быть менее интенсивными. Таким образом, по данному показателю не удается выявить достоверных различий между режимами нулевой обработки и традиционного культивирования.

Исследование температурного режима показало достаточно равномерное распределение данных на всех исследуемых участках. Была выявлена сезонная динамика хода температуры, достаточно типичная для данной территории. В целом можно сказать, что первый срок был теплым, второй – жарким, третий – прохладным. Это относится не только к дневным температурам, но, особенно ночным. В первые два срока температура почвы благоприятствовала высокой скорости протекания биологических процессов. В сентябре вследствие снижения температуры биологические процессы должны быть менее интенсивными, но сохранялась довольно высокая температура для данного времени года.

Сопротивление пенетрации почвы – это сопротивление почвы внедрению в нее зонда цилиндрической или конусообразной формы небольшого диаметра. Сопротивление пенетра-ции характеризует способность почвы противодействовать проникновению в нее не только агротехнических орудий, но и корней растений [7]. Значения сопротивления пенетрации (твердость почв) показывают сравнительно небольшие отличия исследуемых участков между собой. Сопротивление пенетрации нарастает от поверхности вниз по профилю. Существенные различия в значениях этого показателя установлены для различных выращиваемых сельскохозяйственных культур. Низкие значения показателя сопротивления пенетрации, только в одном случае превышающая критическую отметку в 5 МПа, обусловлена высокой влажностью почвы в первый срок наблюдения. Влажная почва обладает высокой пластичностью и низкой твердостью, хорошо проницаема сельскохозяйственными орудиями. Однако во втором сроке наблюдений в июле установлено значительное повышение твердости почвы на участках 2 и 4 опытных полей. Наблюдается общая тенденция к увеличению сопротивления пенетрации по сравнению с первым сроком исследования. Дальнейшее высыхание почвы в сентябре привело к еще большему повышению значений сопротивления пенетрации в сентябре до сверхвысоких значений 8-9 МПа. Твердость увеличилась как на контрольных участках, так и на опытных. Максимальная плотность в большинстве случаев отмечена на глубинах более 10 см на полях с пропашными культурами, независимо от обработки почвы. Верхние слои почв участков с традиционной обработкой на большинстве полей были разрыхлены в результате обработки (вспашки, боронования).

В течение первого срока влажность исследуемых почв существенно изменялась в зависимости от количества выпадающих атмосферных осадков непосредственно перед измерениями или, даже, во время исследований. Влажная весна и начало лета привели к высоким зарегистрированным значениям влажности на всех без исключения ключевых участках, независимо от способа их обработки. Однако большие значения были отмечены на опытных полях по сравнению с контрольными. В течение второго срока исследуемых почв существенно изменялась в зависимости от количества выпадающих атмосферных осадков непосредственно перед измерениями. Второй срок наблюдения в целом был более сухим, хоть и относительно влажным для данного сезона. В сентябре влажность почвы была минимальна вследствие недостаточного выпадения атмосферных осадков. Достоверные отличия (P<0,05) были выявлены на участках 1о и 1к на протяжении всех трех сроков исследования, а также на всех участках второго срока исследования. В третьем сроке достоверное отличие выявлено в случае первой и третьей пары участков. Это свидетельствует о большей способности почвы на опытных полях к накоплению и удерживанию влаги. То же самое относится и к сухому периоду наблюдения в сентябре. В целом значительно более низкие значения влажности на опытных полях были выше, чем на контрольных участках.

Известным фактом является повышение плотности почв при использовании технологии прямого посева при сравнении с традиционными технологиями обработки. Это связано с прекращением механического воздействия на поверхностный слой почвы. Вспашка, боронование и культивации разрыхляют пахотный горизонт при традиционной технологии обработки почвы. Существенное влияние на значения плотности оказывают возделываемые культуры и влажность почвы [8].

Исследуемые почвы, в значительном большинстве, обладают оптимальными для растений параметрами плотности. Сравнение почв, обрабатываемых по технологии прямого посева, с расположенными рядом опытными участками с традиционной технологией обработки, показывают разные тенденции. Чаще всего на опытных полях отмечена такая же плотность, как на контрольных участках или незначительное повышение значений. Однако отмечены и обратные тенденции понижения плотности почвы на опытных полях (например, участок "1о"). Достоверные отличия (P<0,05) в плотности почв исследуемых участков были выявлены лишь на первой, второй и третьей парах участков первого срока исследования.

Выявлена существенная динамика плотности почв. Особенно это характерно для контрольных почв, где проводится рыхление почвы в результате механических обработок (вспашка, боронование, культивации). Максимальные значения плотности установлены в третий срок наблюдения. По сравнению с первым сроком (июнь), когда был самый влажный период, третий срок (сентябрь) был самым сухим, что привело к возрастанию плотности в среднем на 20% (при учете всех площадок). При этом плотность возросла на всех участках опытных и контрольных полей. Самыми плотными в сентябре были почвы на опытных участках под ячменем ("1о") и озимой пшеницей ("4о"). В этот период плотность была неблагоприятно высокой (1,23-1,51

г/см3). Следует отметить, что повышение плотности относится только к поверхностным горизонтам почвы. Ниже по профилю плотность почвы была на уровне стандартных для черноземов значений.

Биологические параметры почвы широко используются в диагностике их экологического состояния. Особенно успешно методы биодиагностики применяют при оценке антропогенного воздействия [9-14]. Дыхание почв является одним из показателей биологической активности почв [7, 9]. Общая интенсивность дыхания почвы обусловлена всей ее биологической активностью и определяется количеством потребленного кислорода и количеством продуцированного диоксида углерода. Вспашка способствует увеличению выделения почвой углекислого газа. В течение всего года продуцирование почвой CO 2 были выше при традиционной обработке, чем при Notill и минимальной обработке почвы [15]. В первый срок наблюдения значения интенсивности дыхания почв были достаточно высокими, что характеризует исследуемые почвы как почвы с высокой биологической активностью. Это связано с применяемой технологией No-till, которая оставляет много органических остатков на поверхности почвы. Разложение этих остатков в почве и мульчирующем слое приводит к активизации микрофлоры и повышению интенсивности дыхания почв. Однако примерно такое же число вариантов было со значениями интенсивности дыхания почв ниже контрольных значений на полях с традиционной обработкой. Достоверные отличия между контрольными и опытными полями (P<0,05) были выявлены на участках "2о" и "2к" в первом сроке исследования, и на первой и второй паре опытных и контрольных участков второго срока. Исходя из этих результатов, нельзя однозначно утверждать, что технология прямого посева способствует интенсификации выделения почвой углекислого газа ввиду того, что данный показатель очень динамичен и зависит от крайне широкого спектра факторов. В последующие сроки наблюдения дыхание почв было подавлено при высыхании почвы. Биологические процессы в сухой почвы практически останавливаются, смещаясь в более глубокие и влажные горизонты почвы.

Растительные остатки на поверхности почвы способствуют развитию особого микробного сообщества, в котором важнейшую роль играют непосредственно целлюлозоразлогаю-щие бактерии [16]. Проведенные в 2016 г. исследования показали, что целлюлозолитическая активность в разных вариантах опыта показывала, как повышение значений по сравнению с контрольными участками, так и их понижение. Размах значений в первый и второй период исключительно велик. В третий срок амплитуда значений показателя значительно снижается. На первом и втором сроке наблюдения прямой посев чаще повышает значения этого показателя по сравнению с контрольными значениями. В сухом сентябре картина в значительной степени меняется. Достоверные отличия между вариантами были выявлены лишь в случае третьей и четвертой пары участков во втором сроке наблюдения.

С целью выявить взаимосвязь между различными показателями был проведен корреляционный анализ исследованных показателей. В результате была выявлена корреляция интенсивности продуцирования почвой углекислого газа с температурой и влажностью, во всех сроках исследования (r=0,62-0,71). Целлюлозолитической активность имела тесную отрицательную связь с плотностью почвы (r= -0,58-0,79) в первый и третий сроки исследований.

Выводы:

• 1.    Физические свойства почв определяются системой их обработки. Плотность и сопротивление пенетрации увеличиваются на опытных полях по сравнению с контрольными, обработанными по традиционной технологии. Температура почвы практически не зависит от способа обработки.

• 2.    Биологические свойства так же изменяются в зависимости от режима обработки почв. Дыхание и целлюлозолитическая активность почв на участках, обрабатываемых по технологии прямого посева, в большинстве случаев оказывается выше, чем на участках обрабатываемых традиционными технологиями.

• 3.    Выявлена существенная сезонная динамика всех без исключения исследуемых показателей, не зависящая от режима обработки почвы, но проявляющая себя в разной мере на различных полях. Влажность почв на полях прямого посева даже в засушливые сезоны выше, чем на полях традиционной обработки. Плотность и сопротивление пенетрации почв от июня к сентябрю повышаются на всех исследуемых участках, но в большей степени на полях прямого посева. Дыхание и целлюлозолитическая активность так же существенно изменялись в зависимости от сезона, но их вариабельность объясняется по большей частью показателями температуры и влажности почв, нежели способа их обработки.

• 4.    Технология прямого посева не приводит к ухудшению экологического состояния почв, а, по некоторым параметрам, улучшает их плодородие по сравнению с почвами полей, обрабатываемых по традиционным технологиям.

Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (5.5735.2017/8.9) и Президента Российской Федерации (НШ-9072.2016.11, МК-326.2017.11)