Оценка плодородия почв и выноса химических элементов возделываемыми на них культурами в условиях Минусинской котловины

В основную позицию при рассмотрении оценки сельскохозяйственных культур по их биологическим требованиям включается потребность растений в элементах питания и экологическое состояние почвенного покрова. Особенно это важно для условий лесостепной зоны Красноярского края в связи с громадной его микропестротой [9]. В практических целях потребность сельскохозяйственных культур в питательных веществах характеризуют, как правило, размером их выноса с урожаем. Вынос питательных веществ с урожаем – важный показатель, который необходимо учитывать при определении потребности культур в удобрениях, расчёте доз удобрений в конкретных условиях. Однако существуют мнения, что прямой зависимости между величиной урожая и размером выноса основных элементов питания часто не наблюдается [11]. Раскрытию связей между растениями и почвой в последнее время уделяется большое внимание. Есть и работы по минеральному обмену в агроценозах [7]. По мнению большинства исследователей, продуктивность растений и поглощение ими макро- и микроэлементов находятся в прямой зависимости от содержания элементов питания в почве.

Цель исследования. Оценить почвы по их плодородию и выявить особенности выноса химических элементов надземной массой растений в агроценозах на территории Минусинской котловины.

Объекты и методы исследования. Работа проведена в лесостепной зоне на юге Красноярского края в границах земель ООО «Знаменское» Минусинского района. В геоморфологическом отношении территория хозяйства расположена на территории Алтае-Саянской Южно-Сибирской горной области. Общая площадь землепользования составляет 15881 га. В составе данной площади сельскохозяйственные угодья занимают 65,9 %. Наибольшая территория сельхозугодий представлена пашней. По факту за период 2010– 2012 гг. внесено в среднем на 1 га пашни 25,4 кг сложного удобрения вида NРК [10]. Для достижения поставленной цели были выбраны агроценозы с односортовыми посевами культур: овсяно-гороховой смеси на тёмно-серой лесной почве и чернозёме оподзоленном, ячменя на чернозёме оподзоленном и выщелоченном и пшеницы на чернозёме выщелоченном и обыкновенном. Согласно «Классификации и диагностике почв России» (2004), тёмно-серые лесные почвы соответствуют типу тёмно-серых почв с выделением в подтипы типичные [6]. Чернозёмы оподзоленные и выщелоченные формируют тип глинисто-иллювиальных чернозёмов с подтипами чернозёмы глинисто-иллювиальные оподзоленные и чернозёмы глинистоиллювиальные типичные. Чернозёмы обыкновенные следует именовать как криогенно-мицелярные. Почвы вошли в ствол постлитогенные и распределены в разные отделы. На пашне они рассматриваются как агроестественные, наименование их строится путём присоединения слова «агро» к названиям соответствующих естественных типов почв. Для полевого исследования почвенного покрова использовали профильный метод. В отобранных образцах определены главные агрономические показатели почвенного плодородия с применением апробированных методик. Содержание гумуса изучали по методу Тюрина, рН – потенциометрическим методом, количество подвижных соединений фосфора и калия по методу Чирикова, нитратный азот колориметрическим методом, ЕКО по методу Бобко-Аскинази, обменные катионы кальция и магния комплексонометрическим методом [1]. При взятии растительных образцов использовали укосный метод [4]. Химический состав растительного вещества определяли на компьютезированной аналитической системе PSCO/ISIBM – PC4250 (Бик-анализатор).

Результаты исследования и их обсуждение . В выполненной нами работе мы рассматриваем морфологические свойства окультуренных почв, агрохимические показатели и состояние почвенного поглощающего комплекса. Проводим сравнительный анализ выноса минеральных элементов питания растениями на исследуемой территории почвенного покрова.

Тип агротёмно-серые типичные (АСтт) вошли в отдел текстурно-дифференцированных почв. Почвообразующими породами служат коричнево-бурые глины. Профиль агротёмно-серых типичных почв диагностируется на горизонты РU-АUe- BEL-BT-C. Самый верхний горизонт РU мощностью 20-25 см выражает трансформируемый гумусовый горизонт целинных почв. Морфологической особенностью пахотного слоя является слабо уплотнённое сложение, наличие чёрно-серой окраски, зернисто-комковатой структуры, отсутствие признаков лессивированности. Гранулометрический состав выражен тяжёлым суглинком. Во фракциях гранулометрического состава преобладают фракции крупной пыли и ила. Последующий горизонт АUe (гумусово-элювиальный) мало отличается от предыдущего. Оподзоленность в нём прослеживается в виде пятен белёсой присыпки кремнезёма. Переходный горизонт BEL (гумусово-иллювиальный) неоднородно окрашенный, с ореховато-слоеватой структурой, белесоватой присыпкой в верхней части. Иллювиальный горизонт BT плотный с ореховато-призмовидной структурой с коричневато-бурым глянцем на поверхности агрегатов. Количество гумуса в пахотном горизонте варьирует в пределах 2,86–3,34 % (табл.1). Среднее содержание гумуса равно 3,12 % и оценивается как низкое [3]. В исследованиях Л.С. Шугалей сказано, что снижение содержание гумуса может быть связано с эрозионным выносом и повышенной минерализацией органического вещества в верхнем горизонте [22]. Реакция почвенного раствора слабокислая (5,7–5,9). Средняя величина ёмкости катионного обмена (ЕКО) достигает 21,8 мг-экв на 100 г почвы. В составе обменных катионов преобладают кальций и магний. Кальций по праву считается катионом – хранителем плодородия в связи с его многогранной значимостью. Он присутствует во всех без исключения почвах, но в разных количествах и в разных соотношениях с другими катионами. Оптимум его содержания – 80–90 % от ЕКО [2]. В анализах почвенных образцов, отобранных нами, количество обменного кальция и магния в верхней части гумусового профиля составило: кальций – 12,4 мг-экв/100 г почвы, магний – 2,9 мг-экв/100 г почвы. Это ниже указанного оптимума и всего лишь 70 % от ёмкости катионного обмена.

Неоднократно доказано, что растения лучше усваивают нитратный азот при кислой реакции почвенного раствора, а при щелочной – аммонийный. В нашем исследовании максимальное количество нитратного азота не превышает 5,2 мг/кг почвы. Его запасы в пахотном слое достигают 4–11 т/га. Обеспеченность подвижными элементами фосфора в верхней части гумусового горизонта высокая (287 мг/кг), калием – повышенная (99 мг/кг). С глубиной количество основных элементов питания ( NPК) уменьшается (табл. 1).

Таблица 1

Показатели гранулометрического состава, химических и физико-химических свойств почв

Чернозёмы глинисто-иллювиальные и чернозёмы объединяются в отделе аккумулятивногумусовых почв. Они имеют ряд сходных черт с аналогичными почвами межгорных котловин Алтая, Забайкалья и Тувы [8, 12, 13, 18, 19].

Подтипы агрочернозёмов глинисто-иллювиальных оподзоленных (АЧгиоп) характеризуются хорошо дифференцированным профилем, разделяющим на горизонты: РU- АUe - B11 – B12- Cca. Гумусовый горизонт темноокрашенный с комковато-пылеватой структурой. Нижняя часть этого горизонта рассматривается как АUe с кремнезёмистой присыпкой по граням структурных отдельностей. Окраска горизонта тёмно-серая с побурением книзу. B11 – комковато-ореховатый с отчётливыми признаками вмывания ила и полуторных окислов, прослеживаемых по утяжелению гранулометрического состава и наличию коричневого глянца, бес-карбонатный и безгумусовый. B12 – карбонатный горизонт с выделением карбонатов в форме прожилок и вкраплений. Гранулометрический состав распаханного слоя преимущественно тяжелосуглинистый. Среди составляющих фракций доминирует илистая. Максимально содержание гумуса может достигать 6,92 % (табл.1). Реакция почвенного раствора слабокислая и изменяется в довольно узких пределах (6,0–6,3). Это объясняется буферностью почвенного раствора и является характерным для всех чернозёмных почв. Поглотительная способность почвы высокая. Максимально она составляет 42,1 мг-экв на 100 г почвы, минимально в конце метрового слоя 7,4 мг-экв на 100 г почвы. Варьирование ЕКО в слоях почвенного профиля больше всего связано с резким убыванием гумуса с глубиной. Количество магния в ППК данной почвы заметно повышается за счёт снижения кальция. Содержание азота очень низкое (1,91 мг/кг). Количество подвижного фосфора характеризуется как очень высокое (440 мг/кг), а обеспеченность подвижным калием средняя (71 мг/кг) .

Агрочернозёмы глинисто-иллювиальные типичные (АЧгит) доминируют на пахотных угодьях хозяйства. В профиле агрочернозёмов глинисто-иллювиальных типичных выделяются следующие горизонты: РU-АU-B11-B12-Cca. Гумусовый горизонт РU серо-чёрного цвета, мощностью 50-55 см, имеет рыхлое сложение, комковато-пылеватую структуру, большое количество корневых и пожнивных остатков. Распылённая масса утрачивает внутриагрегатные поры, что способствует быстрой потере почвенной воды, изменению биологической активности и выдуванию мелкозёма при дефляции. На поверхности почвы визуально просматриваются вымочки и промоины. Промоины до 25 см, расстояние между ними более 25 м. Среди разновидностей гранулометрического состава преобладают тяжёло- и чаще всего среднесуглинистые разновидности почв. Содержание гумуса высокое и составляет 6,49 % [3]. Количество гумуса резко снижается с глубиной. Реакция почвенного раствора слабокислая и колеблется в профиле почв в показаниях от 6,7 до 6,9. Ёмкость катионного обмена (ЕКО) достигает 40,8 мг/100г почвы. При оценке величины ЕКО следует отметить высокую устойчивость почвы к антропогенному воздействию [5]. Соотношение кальция к магнию равно 1:4. Максимальное количество нитратного азота не превышает 4,2 мг/кг почвы. Так же как и гумус, азот характеризуется заметным убыванием вниз по профилю. Количество подвижных элементов фосфора достигает 345 мг/кг почвы, калия – 79 мг/кг почвы. По принятой шкале обеспеченности содержание фосфора высокое, калия среднее.

Территория распространения чернозёмов криогенно-мицелярных (АЧкмц) приурочена к участкам земель в переходной зоне от лесостепи к степи. Профиль чернозёма криогенно-мицелярного подразделяется на горизонты: РU-AU-ВСАmс-BCA-Сса. Почвообразующими породами служат лёссовидные жёлто-бурые суглинки элювиально-делювиального происхождения. Мощность гумусового слоя не более 45 см. Гранулометрический состав почвы среднесуглинистый иловато-крупно-пылеватый. Гранулометрическая дифференциация выражена слабо: коэффициент дифференциации не превышает 1,1. Мелкокомковатая структура в пахотном слое сменяется на комковатую и ореховато-комковатую в средней части профиля и плитчатопорошистую в почвообразующей породе. Горизонт РU равномерно прокрашен, уплотнён (1,21–1,25 г/см3) и диагностируется с заметным переходом в подпахотный. По содержанию гумуса (4,17%) почвы характеризуются как среднегумусные [3]. Ёмкость катионного обмена максимально равна 30,7 мг-экв /100 г почвы. Данный параметр ЕКО характеризует среднюю устойчивость к антропогенной нагрузке [5]. Степень насыщенности основаниями в профиле почвы изменяется в диапазоне 90–95 %. Содержание нитратного азота низкое. Содержание фосфора высокое и в среднем составляет 504 мг/кг, калия повышенное – 176 мг/кг (табл.1).

Изучение продуктивности полей с посевами овсяно-гороховой смеси показало, что урожай сухой массы, выращенный на пашне, слагаемой агротёмно-серыми типичными почвами, составил 3,9 т/га (табл.2). В составе зольных элементов растительного вещества доминирует азот. Его вынос достигает 71,4 кг/га. В суждениях ряда авторов почти половина потреблённого азота отчуждается в агросистеме урожаем. В отдельные периоды вегетационного сезона растения могут использовать весь запас минерального азота. Серые лесные почвы на юге Красноярского края по запасам азота располагаются в убывающем ряду: тёмно-серые>серые >светло-серые [21]. В золе растений, произрастающих на агрочернозёме глинистоиллювиальном оподзоленном, при урожае 4,5 т/га содержание азота равно 76, 9 кг/га. Как сказано нами ранее, в пахотном слое данных почв нитратного азота содержится почти в 2 раза меньше в сравнении с агро-тёмно-серыми. Преимущество в потреблении зольного азота в этом случае объясняется наиболее оптимальными условиями для усвоения окисленных форм азотистых соединений на чернозёмной почве.

Вынос минеральных элементов урожаем полевых культур на разных почвах, кг/га

Таблица 2

Рассматривая результаты по содержанию фосфора в сухой растительной массе, отметим наибольшее его содержание у культур, выращенных на агрочернозёме глинисто-иллювиальном оподзоленном. Количество изученного элемента в растениях на чернозёмной почве составило 13,7 кг/га, на агротёмно-серой почве 11,4 кг/га. По данным Н.Г. Рудого (2008), содержание минерального фосфора снижается, как правило, при увеличении гумуса [16]. Поскольку основным источником питания растений фосфором служат минеральные соединения вторичных фосфатов. Более того, уровень фосфорного питания зависит от растворимости минеральных форм фосфора. Реакция почвенного раствора влияет на количественные оценки того или иного иона фосфора. В кислых и нейтральных почвах преобладает монофосфат – одновалентный ортофосфат, в щелочных – ион РО 4 [21].

По литературным данным, количество усвояемого калия зависит от гранулометрического состава почв, доли калия в почвенном поглощающем комплексе, ёмкости катионного обмена, влажности почв. По сведеньям учёных, в Красноярском крае запасы валового калия в агротёмно-серой типичной почве колеблются от 28 до 32 т/га, а в агрочернозёме глинисто-иллювиальном оподзолённом 35–40 т/га. В почвенноэкологическом отношении агрочернозёмы глинисто-иллювиальные оподзолённые характеризуются наиболее благоприятными условиями для образования подвижных форм калия [18]. Однако, по нашим данным, интенсивность поглощения растениями калия на агрочернозёме глинисто-иллювиальном оподзоленном более низкая. По убеждению Н.Н. Пигаревой и Н.А. Пьянковой (2009), такое парадоксальное явление связано со слабой степенью выветривания горных пород в условиях степей и лесостепей Сибири [15]. Этого мнения придерживаются и другие исследователи [17].

Показатели количества кальция в растениях, произрастающих на агрочернозёме глинистоиллювиальном оподзоленном, выше в 1,5 раза по сравнению с фитомассой на агротёмно-серой типичной почве. Многочисленными исследованиями уже доказано, что в таких количествах действие магния аналогично действию кальция. Кальций и магний в надземной части растений, выращенных на чернозёме, выявлены в соотношении 2,5:1, на тёмно-серой почве 2:1.

Несмотря на широкую распространенность кремния в природе, биохимические циклы его миграции и экологическая значимость изучены недостаточно. Кремний входит в состав минералов, определяет гранулометрический состав почв, поглощается из раствора, и его присутствие положительно влияет на рост и развитие растений [21]. Показатели по содержанию кремния в сухом веществе растений на разных почвах различаются мало. Кроме вышеперечисленных элементов выполнялся анализ на содержание углерода в продукции полевых культур. В сообщениях В.В. Чупровой (1997) сказано, что выход углерода из агроценоза равняется суммарной величине углерода, выделившегося в процессах разложения и отчуждённого с урожаем. По убеждению автора, почвы полей региона обедняются прежде всего легкоминерализуемыми компонентами органического вещества (ЛМОВ) [20]. По результатам исследования, содержание углерода в сухой массе растений на площади распространения агротёмно-серых типичных почв варьирует в диапозоне 48,4– 53,6 %. Отметим, что данные значения характеризуемого элемента в растениях на агрочернозёме глинистоиллювиальном оподзоленном ниже на 5–8 %.

В зернопропашных севооборотах накопление и вынос химических элементов рассматриваются в основной и побочной продукции. С урожаем зерна, воспроизведённого на агрочернозёме глинистоиллювиальном оподзоленном, вынос азота высокий и составил 109 кг/га, в то время как соломой выносится 24,8 кг/га. Содержание азота в растениях на подтипе агрочернозёма глинисто-иллювиального типичного значительно ниже, его вынос урожаем в зерне – 89 кг/га; в соломе – 18,0 кг/га. Высокая обеспеченность почв растворимым фосфором исключила недостаток в его потребности. Вынос фосфора зерном на агрочернозёме глинисто-иллювиальном оподзоленном достигает 16,6; соломой – 8,5 кг/га. У растений на сравниваемой почве вынос зольного фосфора уступает в зерне на 5,2 кг/га, в соломе на 1,3 кг/га. Средние показатели концентрации калия в зерновой продукции значительно меньше, чем в соломе. Выращенная продукция на разных почвах отличается количеством данного элемента. Особенно эта разница заметна в зерне. В среднем, как следует из наших данных, по выносу калия она равна 19 кг/га. Также имеются различия, связанные с поглощением катионов кальция и магния. В растениях на агрочернозёме глинисто-иллювиальном опод-золенном уровень выноса кальция в зерне составляет 9,1 кг/га, в соломе 33,6 кг/га; магния в зерне – 2,9 кг/га; в соломе – 11,5 кг/га. Рассчитанные показатели выноса обменных оснований на другой почве характеризуются величинами: кальция в зерне – 16,0 кг/га; в соломе – 37,9 кг/га; магния в зерне – 6,4 кг/га; в соломе – 13,2 кг/га. Повышенное содержание кремния наблюдается в продукции, выращенной на чернозёме глинисто-иллювиальном оподзоленном. Данные в растениях на почве, отличающейся по подтипу, характеризуются более низкими показаниями. Содержание углерода в растительном веществе на чернозёме глинисто-иллювиальном варьирует в пределах 46,3–54,0 %. Высокая потребность растений в углероде говорит о необходимости поддержания в почве определённого количества легкоминерализуемого органического вещества.

Вынос элементов питания урожаем пшеницей на агрочернозёме глинисто- иллювиальном типичном и на агрочернозёме криогенно-мицелярном также различается. Размер аккумуляции химических элементов в растительной массе на разных почвах увязывается с варьирующими условиями тепло- и влагообеспеченно-сти. Данные показывают, что максимум азота содержит зерно пшеницы, выращенной на чернозёме глинисто-иллювиальном типичном. В побочном продукте азота содержится в 2–3,5 раза меньше. Относительно накопления фосфора наблюдаем, что на фоне повышенного содержания азота его концентрация характеризуется более низкими показаниями, аналогично в зерне и в соломе. Его вынос продукцией на агрочернозёме глинисто- иллювиальном типичном в зерне составил 41 кг/га; в соломе – 7,2 кг/га, а на агрочернозёме криогенно-мицелярном: в зерне – 29 кг/га; в соломе – 6,6 кг/га. Также следует отметить приоритетное накопление калия в пшенице, выращенной на агрочернозёме глинисто-иллювиальном типичном. Биологическое поглощение кальция интенсивнее происходит на агрочернозёме криогенно-мицелярном. Это связано с обилием карбонатных образований уже в подпахотном слое почвы. В зерне вынос кальция достигает 26,2 кг/га, в соломе – 51, 3 кг/га. Магния в растениях накапливается в значительно меньших количествах. При сравнении аккумуляции кремния необходимо заметить его незначительное количество в надземной части фитомассы на агрочернозёме криогенно-мицелярном. Данный вопрос рассматривается в исследованиях В.З. Спириной (2007). В работах автора сказано, что чернозёмы обыкновенные Минусинской впадины отличаются пониженным количеством кремнезёма и высоким содержанием полуторных окислов в составе илистой фракции [18]. Содержание зольного углерода характеризуется более высокими показателями в побочной продукции, созданной на агрочернозёме глинисто- иллювиальном типичном.

Заключение. Получены экспериментальные данные по удельному выносу элементов питания полевых культур, выращенных на разных почвах. В итогах выполненного эксперимента использование азота одной культурой на разных почвах определяется генетическими особенностями и уровнем её экологического состояния. Почвы оструктуренные, наиболее богатые гумусом с высокой ёмкостью катионного обмена с реакцией почвенного раствора, близкой к нейтральной, с достаточным режимом увлажнения, характеризуются лучшими условиями для усвоения азота растениями. Колебания выноса фосфора и калия по различным фонам и почвам менее значительны, чем азота. Больше усваивается фосфора растениями на чернозёмной почве со слабокислой реакцией почвенного раствора. В калии культуры нуждаются значительно меньше, чем в азоте, но значительно больше, чем в фосфоре. Наибольший вынос калия наблюдался в урожае ячменя на агрочернозёме глинисто-иллювиальном оподзоленном. Максимально количество кальция накапливают растения, произрастающие на агрочернозёме глинисто-иллювиальном. Заметно в малых количествах выносится кремния урожаем пшеницы, выращенной на агрочернозёме криогенно-мицелярном. В содержании углерода в золе сухого вещества значительных отличий не определилось.