Особенности гумусного состояния черноземов при освоении залежи

Введение. По данным государственной статистической отчетности на 1 января 2022 г. площадь земель сельскохозяйственного назначения в Красноярском крае составила 39 756,4 тыс. га, или 16,8 % от площади земель всех категорий. Общая площадь залежи в составе сельскохозяйственных угодий составляла в 2020 г. 123,8 тыс. га, а в 2021 г. сократилась до 123,7 тыс. га [1]. Предыдущими исследованиями доказано, что залежи лесостепной зоны Красноярского края имеют огромный потенциал для возобновления их использования в пашне, поскольку постагрогенное восстановление сопровождается повышением почвенного плодородия прямо пропорционально периоду биологической активности территории и составляет от 7 до 15 лет [2]. Согласно рекомендациям [3] для сохранения гумусного состояния почв возврат залежных черноземов в пашню целесообразен для каждой биоклиматической зоны не раньше указанных сроков. Это обусловлено тем, что расходование гумуса и общего азота в результате распашки происходит за срок вдвое меньший. Распашка почв залежей, возобновление агротехнического влияния, активное применение средств химизации, снижение продуктивности и разнообразия растительного покрова приводят к изменению морфологических признаков, гумусного состояния, агрохимических и агрофизических свойств залежных почв, вновь вовлекаемых в пашню [4–6].

Цель исследования – определить направление изменения гумусного состояния почв залежей лесостепной зоны при их повторном вовлечении в пашню.

Объекты и методы. Исследования трансформации гумусного состояния 12-летней залежи до и после ее распашки проводились на территории Красноярской лесостепи. До распашки растительный покров участка исследований являлся разнотравно-злаковой залежью в дерно-винной стадии, единично встречалась молодая поросль березы и сосны, что говорит о начальной стадии зарастания лесом. В августе 2015 г. на данной залежи была проведена обработка гербицидами против злаковых и широколистных сорных растений, а в конце августа – культурная вспашка плугом с предплужниками на глубину 25–27 см. Далее в 2016 г. проведена весенняя вспашка на глубину 18–20 см и боронование. Затем посеяна яровая пшеница сорта Новосибирская 15, после уборки пшеницы в третьей декаде августа проведено лущение жнивья. Засушливая и теплая осень 2016 г. позволила провести зяблевую вспашку во второй декаде сентября, после отрастания сорняков. В 2017 г. проведена предпосевная культивация на глубину 5–7 см и боронование, далее посеяна горохо-овсяная смесь.

Характеристика погодных условий вегетационных периодов 2015–2017 гг. показывает, что гидротермический коэффициент за период наблюдений был 1,0–1,1 при среднемноголетней норме 1,3–1,4, однако его амплитуда колебалась в пределах от 0,3 до 1,6. Первая половина вегетации в эти годы была жаркой и засушливой, а вторая половина – теплой и влажной. В целом вегетационные периоды наблюдений 2015–2017 гг. можно охарактеризовать как более теплые и сухие по сравнению со среднемноголетними показателями.

На залежи до и после распашки отбирали смешанные почвенные образцы из слоя 0– 20 см в 6-кратной повторности с мая по сентябрь через равные промежутки времени в течение трех вегетационных сезонов. Кроме изучения пространственно-временных изменений гумусного состояния пахотного слоя нами были заложены почвенные разрезы, где в каждом горизонте были отобраны образцы для определения изменений содержания, запасов и характера профильного распределения гумуса под влиянием пашни. Содержание гумуса (С гумуса ) определяли по методу И.В. Тюрина, для извлечения углерода подвижной части гумуса (С Nаoн ) использовали 0,1 н. гидрооксид натрия, в составе углерода щелочегидролизуемого гумуса выделяли углерод подвижных гуминовых (С гк ) и фульвокислот (С фк ) по методу И.В. Тюрина в модификации В.В. Пономаревой и Т.А. Плотниковой [7]. Потенциальную эмиссию углекислого газа определяли методом Конвея. Статистическую обработку данных проводили методами описательной статистики.

Результаты и их обсуждение. В июне 2015 г. на границе Сухобузимского и Емельянов-ского района в 6,8 км на юго-восток от с. Талое (координаты: 56.460593, 92.846322), в средней части склона северо-восточной экспозиции крутизной 2° был заложен разрез № 1. В июне 2017 г. после 2 лет обработки залежи рядом с разрезом № 1 был заложен разрез № 2. В разрезах диагностирован чернозем выщелоченный среднемощный тяжелосуглинистый на лессовидном желто-буром карбонатном тяжелом суглинке.

Наличие гумусово-аккумулятивного горизонта в пределах 54–56 см позволяет на видовом уровне диагностировать в разрезах среднемощные черноземы с выраженной комковатозернистой структурой под многолетней залежью и глыбисто-крупнокомковатой структурой с присутствием пылеватых агрегатов на пашне. Пы-леватость здесь обусловлена лессовидным характером материнских пород, многократным воздействием обрабатывающих орудий и отсутствием естественной растительности. При изучении мощности гумусового горизонта в прикопках вокруг основного разреза было установлено, что она изменяется от 43 до 59 см, что также соответствует среднемощному виду. Коэффициент вариации мощности гумусового горизонта - 32 %, это связано с выраженным микрорельефом залежи. Наличие мелкослоистой крио- генной текстуры и признаков оглеения (ржавоохристые пятна) в горизонте Вк обусловлены промерзанием почвы в зимний период.

По содержанию гумуса черноземы выщелоченные высокогумусные (9,2–9,4 %) (рис. 1). С глубиной содержание гумуса снижается до среднего и очень низкого (3,8–1,2 %), что характерно для черноземов Сибири, имеющих высокое содержание гумуса, но укороченный гумусовый профиль [8]. Максимальное содержание общего азота сосредоточено в гумусовоаккумулятивном горизонте. Под многолетней залежью оно составило 0,57 %, с отношением C/N 10,6, что свидетельствует о средней обеспеченности гумуса азотом. После распашки залежи содержание валового азота сократилось до 0,38, а отношение C/N расширилось до 14,3 и перешло в категорию низкой степени обеспеченности гумуса азотом.

Запасы гумуса в слое 0–20 см на залежи очень высокие (204,6 т/га), после распашки -высокие (167,4 т/га). Метровый слой агрочернозема характеризовался высокими запасами гумуса, равными 422,8 т/га на залежи и 413,5 т/га на пашне. Более низкое содержание и запас гумуса при распашке залежи может быть обусловлен разными причинами. Во-первых, характером микрорельефа с микрозападинами, следствием чего является достаточно высокая степень вариабельности мощности гумусового горизонта, при распашке которого происходит перемешивание с нижележащими слоями. Во-вторых, единый гумусовый горизонт при распашке дифференцировался на пахотный и подпахотный слои, которые имеют разную плотность сложения. Плотность пахотного слоя составила 0,89 г/см3, подпахотного - 1,0 г/см3, до распашки гумусовый горизонт чернозема имел плотность сложения 1,08-1,12 г/см3. В-третьих, химическая обработка залежи и дальнейшие многократные перемешивания и культивации привели к исчезновению дернового горизонта и резкому сокращению растительных остатков в гумусовом горизонте, что привело к минерализации как самих остатков, так и части подвижного гумуса. Косвенным доказательством этого процесса является сокращение содержания валового азота в гумусе и расширение показателя C/N.

Для оценки влияния распашки на содержание подвижных гумусовых веществ в черноземе выщелоченном было проведено обследование участков залежи до и после вовлечения в пашню, как в динамике, так и в пространстве. Исследованиями установлено, что при распашке залежи происходит резкое снижение содержания углерода водорастворимого органического вещества и постепенное снижение его пространственного варьирования. Так, среднее со-

держание С H O в почве многолетней залежи составляло 46 мг/100 г при коэффициенте варьирования (Cv), равном 36 %. В первые два года распашки содержание С Н О снизилось до 22– 18 мг/100 г, варьирование уменьшилось до 28– 24 % (табл. 1).

Таблица 1

Содержание углерода гумуса и его подвижных компонентов в слое почвы 0–20 см, мг/100 г

Показатель	Х сред	Min-max	S х	Сv, %
Многолетняя залежь (2015 г.)
С гумуса	5394	511–623	±2,64	15
С Н О	46	29,5–70,1	±0,87	36
С NaОН	905	1401–405	±20,4	52
Распаханная залежь (пшеница, 2016 г.)
С гумуса	5451	496–581	±12,9	19
С Н2О	22*	6,3–21,3	±1,29	28
С NaОН	267*	234–289	±19,7	29
Распаханная залежь (травосмесь, 2017 г.)
С гумуса	5336	496–581	±12,7	19
С Н2О	18*	8,0–25,6	±1,29	24
С NaОН	385*	334–489	±21,4	29
НСР 0,5	С гумуса	С Н О	С NaОН
	69	5,7	49

*Различия достоверны; S х – ошибка средней арифметической; Сv, % – коэффициент вариации.

■■ Запас гумуса, т/га

^^^м Содержание гумуса,%

Рис. 1. Содержание и запасы гумуса в почвенных разрезах

После распашки содержание углерода гумуса (С гумуса ) незначительно снизилось по сравнению с многолетней залежью, но это не имеет статистического подтверждения. Заметно, что при рас-

пашке чернозема в первую очередь сокращается содержание углерода в подвижной части гумуса, а общее содержание углерода гумуса имеет лишь небольшой тренд к снижению.

Эти результаты согласуются с данными предыдущих исследований [9–11]. Другими исследованиями установлено, что в первые годы освоения залежи независимо от глубины обработки почв происходит снижение содержания гумуса в 1,4 раза, легкоразлагаемого органического вещества – в 3 раза и повышение относительного содержания подвижного углерода гумуса – с 24 до 26–31 % от С орг за счет минерализации и частичной гумификации растительных остатков дернового горизонта [12].

Среднее содержание щелочегидролизуемого углерода гумуса в почве многолетней залежи было 905 мг/100 г, варьирование значительное – 36 %, в первый год после распашки залежи в агроценозе пшеницы (2016 г) содержание СNaOH резко снизилось до 267 мг/100 г при Cv = 29 %. Далее при возделывании травосмеси в 2017 г. содержание щелочегидролизуемого углерода гумуса увеличилось до 385 мг/100 г, но все же оставалось значительно ниже по сравнению с залежной почвой. Изученная нами залежь отличалась тем, что перед ее распашкой была проведена гербицидная обработка, это привело к усыханию и отмиранию большинства растений, быстрому и полному разложению растительных остатков дернового горизонта, особенно в теплых и влажных условиях второй половины вегетации и затяжной осени 2015 г. При этом накопления в почве легкоминерализуемого органического вещества к следующему вегетационному сезону 2016 г. не произошло, напротив, оно резко сократилось (рис. 2), содержание гумуса не уве- личилось, следовательно, практически весь углерод растительных остатков и большая часть подвижного органического вещества были захвачены минерализационным потоком.

По нашим подсчетам потери углерода только за счет разложения водорастворимого и щелочегидролизуемого органического вещества составили 11,4 кг/га в год. Изменчивость концентрации С пов во времени составила 36–68 % и имела среднюю обратную связь (r = 0,56) с потенциальной эмиссией СО 2 из почвы (рис. 3, 4), что доказывает усиление процессов минерализации из-за отклика активности микроорганизмов на аэрацию почвы при обработках, повышение влажности и поступление мортмассы.

Это говорит о высокой биологической активности и подвижности новообразованного гумуса в черноземах. Обработка залежи гербицидами и дальнейшая распашка привели к снижению концентрации углерода водорастворимого в 3,8 раза, углерода щелочегидролизуемого органического вещества в 3,4 раза по отношению к его исходному содержанию. После распашки концентрация подвижного гумуса достигла своего минимума и слабо изменялась с течением времени. Далее при возделывании травосмеси произошло увеличение концентрации подвижных гумусовых веществ: С Н₂О – с 18 до 26, С NaOH – c 266 до 590 мг/100 г.

Средний запас С пов в почве многолетней залежи составил 20,9 т/га, на пашне – 6,2 т/га (табл. 3).

Рис. 2. Динамика углерода компонентов подвижного гумуса: водорастворимого гумуса (С Н2О ), гуминовых (Сгк) и фульвокислот (Сфк), мг/100 г

Рис. 3. Динамика углерода подвижного гумуса (С пов , мг/100 г) и потенциальной эмиссии СО 2 , мг/10 г

Рис. 4. Корреляционная зависимость содержания С пов и потенциальной эмиссии СО 2 в черноезме

Таблица 3

Запасы компонентов углерода гумуса в слое 0–20 см, т/га

Угодье	С гумуса	С NaОН	С Н2О	C пов (С NaOH +С H2O )	С стаб. гумуса (С гум –С пов )
Многолетняя залежь	118,7	19,9	1,0	20,9	97,8
Распаханная залежь	96,0	5,8	0,4	6,2	90,4

Доля щелочегидролизуемого ОВ от С гумуса в изученном черноземе составляла на залежи 17 %, водорастворимых форм углерода – 1 %, на пашне – 6 и 0,4 % соответственно.

Заключение. При обработке залежи гербицидами и последующей распашке полностью исчезает дерновый горизонт, резко снижается количество корней и прочих растительных остатков, в гумусовом горизонте заметна диффе- ренциация по плотности, появление глыбистой структуры и пылеватых отдельностей.

Общее содержание гумуса под многолетней залежью и при ее распашке высокое и составило 9,4 и 9,3 % соответственно, достоверного снижения С гумуса в первые два года после распашки не обнаружено, однако обогащенность гумуса азотом снизилась со среднего до очень низкого уровня.

Содержание водорастворимого углерода гумуса в почве под многолетней залежью было 46 мг/100 г, щелочегидролизуемого – 905 мг/100 г. При распашке залежи содержание углерода водорастворимого и щелочегидролизуемого гумуса резко сократилось – в 3,8 и 3,4 раза соответственно.

Доля подвижного гумуса в почве под многолетней залежью была 17 %, при распашке залежи сократилась до 6 %, доля углерода стабильного гумуса – 82 и 94 % соответственно. Следовательно, при интенсивном агротехническом воздействии с применением средств химизации для уничтожения дернового горизонта доля подвижных органических веществ снижается более чем в 2,8 раза за счет их минерализации.

Таким образом, проведенный анализ полученных результатов показывает, что применение гербицидов перед распашкой залежей недопустимо, поскольку ведет к ускорению процессов минерализации подвижных гумусовых соединений и сокращению их пула более чем в 2–3 раза, что в перспективе может привести к деградации почв.