Оптимизация водно-воздушного режима черноземных почв лесостепи Западной Сибири

Освоение на черноземных почвах лесостепи Западной Сибири ресурсосберегающих почвозащитных систем обработки почвы требует обоснования и комплексной оценки оптимальных параметров агрофизических свойств в условиях химизации земледелия. С изменением механической нагрузки на верхний слой черноземных почв, от применения удобрений и пестицидов нарастает масса растительных остатков на поверхности поля, что со временем влияет на элементы почвенного плодородия, снижает эродируемость, повышает содержание водопрочных агрегатов, оптимизирует плотность, водный режим и водопотребление на единицу продукции.

Агрофизическое состояние верхнего слоя черноземных почв непосредственно влияет на жизнедеятельность растений. Первичным и определяющим фактором всей физики почвы является ее плотность. С ней непосредственно связаны водный, тепловой и воздушный режимы почвы, она является значительным фактором плодородия. Для урожая вредна как рыхлая, так и переуплотненная почва, а ее оптимальное сложение создает наилучшие условия для жизни растений [6].

Установлено, что для жизнеобеспечения большинства зерновых культур важны не столько параметры сложения верхнего слоя, сколько оптимальное соотношение в нем фаз почвы, особенно при засушливости климата и дефиците водных ресурсов. Исследования агрофизических параметров показывают, что наиболее оптимальные для жизнедеятельности растений почвенные условия создаются при следующем соотношении фаз почвы: твердой - 43-44 %, жидкой - 34-35 % и газообразной - 21-23 % от объема почвы [1, 2, 3]. Данные исследования на черноземных почвах Западной Сибири крайне ограничены.

Цель исследований - установить влияние систем обработки на оптимизацию водновоздушного режима в верхнем слое черноземных почв лесостепи Западной Сибири.

Объекты и методы

Исследования проведены в лесостепной почвенно-климатической зоне Омской области в длительном (с 1973 г.) стационарном зернопаровом севообороте отдела земледелия ФГБНУ СибНИИСХ в 2001-2010 гг.

Почва опытного участка лугово-черноземная среднемощная тяжелосуглинистая с содержанием гумуса до 7–8 %. Плотность верхнего слоя составляет, в зависимости от варианта обработки почвы, - 0,90-1,15 г/см3, увеличиваясь вниз по профилю до 1,40-1,60 г/см3, а плотность твердой фазы соответственно - 2,50-2,59 и 2,60-2,70 г/см3. Общая пористость гумусового горизонта - 55-63 %, ниже она уменьшается до 40-50 %. В составе общей пористости преобладают микропоры менее 3 мк и активные капиллярные поры (60–3 мк). Емкость поглощенных оснований составляет 29,5-36,0 мг экв./100 г почвы, из них 80-90 % приходится на катион Са++. Засоление отсутствует (Рн водное 6,7-6,8).

Вегетационный период агроландшафта составляет 162–165 сут, сумма активных температур выше 10 °С - 1800-2000 °С. Среднегодовое количество осадков 350-400 мм, в том числе за вегетационный период 190-220 мм. Суховеи наблюдаются обычно в мае и в первой половине лета.

Агрофизические параметры верхнего слоя лугово-черноземной почвы на различных вариантах обработки почвы изучали по общепринятым методикам [3, 4, 5].

Результаты исследований

Установлено, что для местных черноземов оптимальные границы плотности почвы приближены к интервалу 1,0-1,2 г/см3. В.Н. Слесаревым (1984) данные параметры были уточнены, и оптимальная плотность для зерновых культур (пшеница, ячмень) составила 1,10 ± 0,10 г/см3 [7]. Урожайность зерновых на рыхлой (0,9 г/см3) и плотной (1,3 г/см3) почве снижается на 16-32 %. Даже при плотности, близкой к равновесному и оптимальному состоянию, повышение доли газообразной и снижение жидкой фазы в верхнем слое к посеву зерновых культур способствует, при недостаточном увлажнении и повышенной аэрации, ухудшению агрофизических параметров плодородия черноземных почв.

Наблюдения за водно-физическим состоянием верхнего слоя лугово-черноземной почвы свидетельствуют, что даже при периодическом отказе от основной обработки к посеву яровой пшеницы оптимального соотношения между воздухом и влагой не происходит, что свидетельствует о дефиците водных ресурсов (табл. 1).

Соотношение между воздухом и влагой в верхнем слое черноземных почв во многом определяется приемом и глубиной основной обработки почвы, сезонностью и увлажнением. Осенью, после основной обработки почвы, вследствие недостаточного уплотнения (менее 1,0 г/см3) и увлажнения газообразная фаза в верхнем (0–30 см) слое существенно (в 1,5– 2,2 раза) превосходит жидкую, причем соотношение между воздухом и влагой возрастает с уменьшением плотности почвы.

Так, при минимальной обработке соотношение составило 1,55, на плоскорезной – 1,86, а на отвальной обработке достигало 2,20, причем с глубиной данное соотношение сужается.

К посеву яровой пшеницы соотношение фаз почвы относительно осенних показателей изменяется в направлении некоторого увеличения твердой и жидкой и уменьшения газообраз-

Таблица 1

Соотношение твердой ( т ), жидкой ( ж ) и газообразной ( г ) фаз в почве на второй пшенице после пара, %

Слой почвы, см Основная обработка почвы Отвальная на глубину 20–22 см Плоскорезная на глубину 12–14 см Минимальная на глубину 5–6 см т ж г т ж г т ж г После обработки 0–10 34 21 45 36 22 42 39 23 38 10–20 33 22 44 39 21 40 44 23 33 20–30 40 18 42 45 19 36 49 20 31 0–30 36 20 44 40 21 39 44 22 34 Перед посевом 0–10 30 25 45 29 25 46 29 27 44 10–20 34 27 39 35 28 37 37 28 35 20–30 45 28 27 46 29 25 48 30 22 0–30 36 27 37 37 27 36 38 28 34 ной в связи с усвоением невегетационных осадков и уплотнением верхнего слоя чернозема. Если количество жидкой фазы практически не изменяется по вариантам обработки почвы стерневого предшественника, то газообразная уменьшается с уплотнением с 37,0 до 33,7 %.

Полученные данные агрофизических параметров верхнего слоя лугово-черноземной почвы свидетельствуют о том, что оптимального соотношения между газообразной и жидкими фазами почвы не наступает. В отвальном варианте обработки почвы данное соотношение в пахотном слое 0–30 см наибольшее – 1,37, при плоскорезной обработке уменьшается до 1,33 и при минимальной снижается до 1,21. Относительно неблагоприятное соотношение между воздухом и влагой на стерневых фонах к посеву зерновых культур связано в основном с недостаточным уплотнением (менее 1,15 г/см3), а вследствие этого – повышенной пористостью верхнего слоя, достигающей 58–62 %. Недостаток влаги весной и ограниченное количество невегетационных осадков приводят к посеву и вегетации культуры к излишнему содержанию газообразной фазы. Расчеты показывают, что при увлажнении, равном наименьшей влагоемкости (НВ), содержание воздуха в верхнем слое при оптимальном уплотнении может понижаться до 20–30 % от объема почвы.

Установлено, что применение приемов влагонакопления в засушливой степной зоне (снегозадержание, стерня высокого среза) на второй пшенице после пара повышает содержание жидкой фазы на 2,7–3,0 %, а в паровом поле с муму (1 : 0,80) [8].

По паровому предшественнику, где условия увлажнения складываются в аридных территориях наиболее благоприятно, в верх- нем слое черноземных почв соотношение между воздухом и влагой к посеву яровой пшеницы приближается к единице (табл. 2).

В конце парования технология обработки почвы оказывала заметное влияние на плотность и влажность верхнего слоя. Так, в варианте с отвальной обработкой пара, по типу раннего, плотность почвы в слое 0–30 см составила 0,98, при минимальной обработке – 1,07 г/см3, пористость соответственно 62 и 56 %. Излишняя рыхлость и скважность обрабатываемого слоя в сочетании с недостаточным увлажнением (близкое к ВРК) способствовало, кулисами приближало ее соотношение к опти

Таблица 2

Соотношение твердой ( т ), жидкой ( ж ) и газообразной ( г ) фаз в почве на пшенице после парового предшественника, %

Слой почвы, см Основная обработка почвы Отвальная на глубину 20–22 см Минимальная на гл бину 6–8 см т ж г т ж г После обработки 0–10 35 23 42 34 25 41 10–20 37 24 39 40 26 34 20–30 42 24 34 51 24 25 0–30 38 24 38 42 25 33 Перед посевом 0–10 39 31 30 38 33 29 10–20 37 28 35 39 29 32 20–30 42 27 31 43 26 31 0–30 39 29 32 40 29 31 как по отвальной, так и по минимальной обработке, неблагоприятному соотношению между воздухом и влагой (1,58 и 1,32 соответственно).

К посеву яровой пшеницы плотность и пористость верхнего слоя в результате увлажнения и объемных деформаций верхнего слоя практически не различалась по вариантам подготовки пара. Повышенная скважность почвы, несмотря на повышение увлажнения, способствовала снижению газообразной фазы до минимального варианта. В целом к посеву яровой пшеницы соотношение между воздухом и влагой с глубиной уменьшалось, и в слое 0–30 см составляло в отвальном варианте подготовки пара – 1,10, минимальном – 1,07.

Аналогичные исследования, проведенные при различных приемах обработки чистых и занятых паров, показали, что в чистом пару соотношение между воздухом и влагой перед посевом яровой пшеницы в слое 0–30 см составляло по вспашке – 1,07, мелкой плоскорезной обработке – 1,00 и минимальной – 0,89, то есть при минимизации обработки приближалось к оптимальным параметрам. В то же время в занятом (рапсовом) паровом поле перед посевом яровой пшеницы соотношение между воздухом и влагой по вариантам обработки пара составляло соответственно 1,37; 1,04 и 0,96. Данное соотношение в целом в связи с уменьшением плотности и весеннего увлажнения в поле с занятым паром повышалось с тенденцией оптимизации при минимизации обработки почвы.

В связи с внедрением в регионе интенсивных технологий возделывания зерновых культур и внесением измельченной соломы на поверхность поля важно установить их влияние

Таблица 3

в слое 0–30 см возрастало до 30 % (на 10,7 %) при одновременном снижении газообразной с 29 до 25 %. В этом варианте соотношение между воздухом и влагой снижается до 0,81 и приближается к оптимальным параметрам.

Соотношение твердой ( т ), жидкой ( ж ) и газообразной ( г ) фаз в почве перед посевом ячменя в зависимости от технологии возделывания, %

Слой почвы, см Основная обработка почвы Отвальная на глубину 20–22 см Минимальная на гл бину 5–6 см т ж г т ж г После обработки 0–10 38 28 34 39 29 32 10–20 43 29 28 44 28 28 20–30 44 27 29 45 28 27 0–30 42 28 30 43 28 29 Перед посевом 0–10 37 29 34 39 30 31 10–20 42 30 28 45 31 24 20–30 44 28 28 47 31 22 0–30 41 29 30 44 31 25 на оптимизацию водно-воздушного режима в верхнем слое черноземных почв. Наблюдения показали, что в замыкающем поле зернопарового севооборота (ячмень) систематическое применение комплексной химизации способствовало при минимальной обработке увеличению растительных остатков в слое 0–20 см с 0,86 до 1,44 т/га (на 67,4 %), что в целом повлияло положительно на оптимизацию водно-физического состояния почвы к посеву культуры (табл. 3).

Систематическое применение средств химизации и измельченной соломы в варианте с отвальной обработкой положительных изменений в водно-физическом состоянии верхнего слоя к посеву ячменя не оказало. При минимальной обработке почвы, с оставлением основной массы растительных остатков на поверхности поля, количество жидкой фазы

Заключение

Таким образом, оптимальное (0,7–0,8) соотношение между воздухом и влагой в верхнем слое черноземных почв к посеву зерновых при сложившейся плотности (1,04–1,08 г/см3) может быть достигнуто при увлажнении почвы до 36–40 %, что наблюдается чаще после снеготаяния. Более целесообразно доведение плотности верхнего слоя к посеву до оптимальных параметров – 1,10–1,15 г/см3. В этом случае увлажнение почвы до 30–32 % (близкое к НВ) за счет проведения влагонакопительных агроприемов и комплексной химизации при минимизации обработки черноземных почв оптимизирует соотношение между воздухом и влагой к посеву зерновых культур.