Запасы и трансформация растительных остатков в агрочерноземах лесостепной зоны Красноярского края

Известно, что органическое вещество почвы имеет гетерогенную структуру. Различные компоненты его отличаются по степени устойчивости к разложению и делятся на стабильные и легкоминерализуемые фракции [1, 2]. Легкоминерализуемая часть также неоднородна и включает лабильное и подвижное органическое вещество. Основным источником легкоминерализуемого органического вещества в почве являются растительные и любые другие органические остатки. Таким образом, растительные остатки сельскохозяйственных культур имеют огромное значение для поддержания плодородия пахотных почв. Это прежде всего первоисточник органического вещества, а также источник элементов минерального питания растений. Кроме этого, растительные остатки в пахотных горизонтах улучшают физические, водно-физичес– кие и биологические свойства агропочв, повышают их устойчивость [3, 4].

Под чутким руководством Валентины Владимировны Чупровой и при ее активной поддержке на кафедре был собран обширный материал о запасах и продукции растительного вещества, процессах его трансформации, о гумусном состоянии агропочв лесостепной зоны Красноярского края. Последовательно развивая взгляды своего учителя, нами были изучены основные параметры биологического круговорота углерода в агроэкосистемах при разном уровне интенсификации производства, то есть при разных способах обработки почв, применении разных почвозащитных технологий и средств химизации, были изучены различные севообороты и культуры, как традиционные для нашей зоны, так и малораспространенные, но перспективные.

Основная часть исследований была проведена в агроэкосистемах в пределах Красноярской и Канской лесостепей Красноярского края.

В структуре почвенного покрова, изученных агроэкосистем преобладали агрочерноземы, представленные в основном комплексами глинисто-иллювиальных и криогенно-мицеллярных подтипов. Начиная с 2006 г. запасы органического вещества и процессы его трансформации были изучены в агроэкосистемах однолетних (суданская трава, пайза) и многолетних кормовых трав (клевер, люцерна, эспарцет, козлятник), масличных капустных (рапс) и пропашных культур (кукуруза, картофель, подсолнечник), зерновых (пшеница, ячмень, овес) и зернобобовых (соя) в различных севооборотах, естественных лугов, сеяных сенокосов (кострец + люцерна) и паровых полей в качестве контрольных участков [5, 6].

Методы изучения биологического круговорота в свое время были описаны еще в работах Н.И. Базилевич [7]. Запасы надземной мортмас-сы учитывали по четырем срокам в течение вегетации в 4-кратной повторности. Вместе с надземным остатками учитывали запасы подземной мортмассы и корней методом монолитов на глубину 20 см. Подземную мортмассу фракционировали на крупные (> 0,5 мм) и мелкие (< 0,5 мм) остатки.

Определение валового азота в растительных образцах проводили методом Гинзбурга и Щегловой. Определение углерода в растениях – методом Анстета в модификации В.В. Пономаревой и Т.А Плотниковой [8].

В структуре запасов растительного вещества многолетних трав преобладают корни, крупные и мелкие фракции мортмассы. Отличительной особенностью обладает агроэкосистема козлятника восточного, здесь высока доля надземной мортмассы (до 6,5–10,8 т/га), которая формируется благодаря высокой продуктивности данной культуры. При возделывании однолетних кормовых трав увеличивается доля запасов корней до 3,1 т/га и сокращается доля надземной мор-тмассы до 1,0 т/га. Возделывание масличных капустных культур сопровождается увеличением крупных растительных остатков в подземном блоке до 4,2 т/га. Отличительной особенностью запасов растительного вещества пропашных культур является очень высокая доля корней, особенно при возделывании кукурузы и подсолнечника (8,4 т/га). А при возделывании карто- феля увеличивается доля надземной мортмас-сы (3,2 т/га). Возделывание зерновых культур сопровождается резким сокращением запасов растительного вещества, особенно корней (0,2– 0,5 т/га), основную долю составляют подземные остатки и надземная мортмасса в виде соломы (1,3–2,0 т/га). Зернобобовые культуры, такие как соя, значительно увеличивают запасы корней в почвах до 2,9 т/га (рис. 1).

и крупная подземная мортмасса н мелкая подземная мортмасса

Рис. 1. Структура запасов растительного вещества в агроэкосистемах, т/га

Травосмеси по-разному влияют на структуру запасов растительного вещества. Например, при возделывании рапса и проса велика доля надземной мортмассы (3,3 т/га). В посевах суданской травы и овса преобладала мелкая подземная мортмасса (3,4 т/га). Естественные луга и сенокосы характеризовались наибольшим запасом растительных остатков – до 28 т/га, а чистые пары наименьшим – 2,1 т/га (за счет подземной мортмассы предшествующих культур). Таким образом, в структуре растительного вещества всех агроэкосистем преобладала подземная мортмасса. Исключение составляли пропашные культуры (подсолнечник, кукуруза) и сенокосы, где велика доля запасов корней.

Часть растительных остатков находилась в почве от предшествующих культур или прежних лет, а другая часть поступала в течение вегетации и после уборки урожая ежегодно. Интенсивность поступления растительных остатков в почву и их разложения рассчитывается с помощью балансовых уравнений, предложенных Титляновой и Шатохиной [9]. В зависимости от агроэкосистемы интенсивность поступления растительных остатков в почву колеблется от 3,5 до 48,6 т/га в год (табл. 1).

Таблица 1

Культура	Весенний запас мортмассы	Поступило растительных остатков
		до уборки		после уборки		Всего
		с надземными органами	с корнями	с пожнивными остатками	с корнями
Чистый пар	1,91	0,71	0,89	–	–	3,5
Пропашные	2,03	2,89	0,32	2,52	0,14	7,9
Зернобобовые	2,74	0,53	0,83	0,91	0,48	5,5
Зерновые	1,24	0,53	0,78	0,97	0,05	3,6
Масличные капустные	4,8	1,7	2,5	2,2	1,9	13,1
Многолетние бобовые	12,9	8,4	8,5	4,5	10,1	44,4
Сенокосы (кострец + люцерна)	14,5	8,8	9,3	3,3	12,7	48,6

Интенсивность поступления растительных остатков в почву, т/га в год

Режим функционирования агроэкосистем во многом определяется соотношением интенсивности поступления и разложения растительных остатков. Благодаря современным технологиям, обеспечивающим сохранение растительных остатков на полях, мы видим, что поступление ос- татков превышает или равно их разложению (рис. 2). Таким образом, в изученных агроэкосистемах, за исключением картофеля и чистых паров, наблюдается положительный баланс растительного вещества в почвах.

и поступило

Li разложилось

Рис. 2. Соотношение поступления и разложения растительных остатков в агроэкосистемах, т/га в год

Известно, что разложение растительных остатков зависит от их биохимического состава: чем выше содержание азота в их составе, тем интенсивнее они разлагаются [10]. Результаты наших исследований показывают, что фитомас- са сои имела наименьшее отношение С/N, равное 18. В подземной мортмассе всех агроценозов отношение С/N расширялось до 50–70. Отмечено также очень широкое соотношение С/N в корнях рапса – более 100 (табл. 2).

Кроме химического состава растительных остатков на интенсивность разложения существенное влияние оказывала интенсивность поступления мортмассы в почву. Поступление свежих порций растительного вещества существенно стимулировало процессы разложения, особенно при десикации ботвы картофеля, так, за вегетационный период при возделывании картофеля по семенной технологии разложилось около 12,9 т/га надземной мортмассы. Коэффициент корреляции между интенсивностью поступления и разложения растительных остатков составил в среднем 59 %.

Растительные остатки культур обладают разным кинетическим потенциалом разложения и периодом полураспада (табл. 3). Наибольший потенциал разложения и наименьший период полураспада характерны для ботвы картофеля и корней сои в связи с высоким содержанием азота. Солома пшеницы крайне медленно разлагается, имеет самый низкий потенциал разложения. Зависимость константы разложения растительных остатков и отношения С/N хорошо апроксимируется полиномом второй степени, при этом обнаружена существенная обратная связь (r = -0,89) (рис. 3).

Таблица 2

Фракция растительного вещества	Соя (без семян)	Пар (сорные травы)	Пшеница (солома)	Картофель (ботва)	Рапс
Фитомасса	18	32	54	38	31
Надземная мортмасса	32	36	59	42	36
Крупная подземная мортмасса	31	45	72	54	42
Мелкая подземная мортмасса	47	64	70	69	59
Корни	14	28	37	32	101
X	26,4	41,0	58,4	47,0	53,8
S X	18,6	14,3	14,1	14,7	12,2
C V , %	70,5	34,9	24,2	31,3	22,7
НСР 05 по фракциям растительного вещества	19,8
НСР 05 по культурам	18,8

Таблица 3

Кинетический потенциал разложения (k, год-1) и период полураспада (Т½, лет) мортмассы различных полевых культур

Звено севооборота	k, год-1	Т½ , лет
Чистый пар	0,61	1,14
Картофель	0,91	0,76
Соя	0,97	0,72
Яровая пшеница	0,06	7,43
НСР 0,5	0,12	0,09

Отношение С/N в растительных остатках полевых культур

Зная величину чистой первичной продукции, разложением мортмассы, можно составить ба-количество отчужденного растительного веще- ланс растительного вещества (табл. 4). ства с урожаем, интенсивность поступления и

С/N

Рис. 3. Взаимосвязь константы разложения (k, год-1) и отношения С/N в мортмассе

Таблица 4

Баланс растительного вещества в зернопаропропашном севообороте, т/га ‧ период

Составляющие баланса	Звенья севооборота
	Соя	Пшеница	Чистый пар	Картофель
Запасы мортмассы весной	6,1	2,8	4,2	4,5
Продукция	9,5	9,7	1,4	19,9
В т.ч.: надземная	6,6	7,9	0,8	12,0
подземная	2,9	1,8	0,6	7,9
Отчуждено	2,4	2,5	0	7,2
Поступило в мортмассу за вегетацию	7,1	7,2	1,4	12,7
Разложилось	4,5	2,8	1,4	12,9
Запасы мортмассы осенью	8,7	7,0	4,2	4,3
Баланс	+2,6	+4,2	0	-0,2

Например, в зернопаропропашном севообороте, благодаря применению почвозащитных технологий и сохранению растительных остатков (соломы пшеницы, стерни сои, ботвы картофеля), баланс положительный, накопление растительного вещества в агрочерноземе за ротацию севооборота составило более 6 т/га.

Выводы

• 1.    Значительный вклад в формирование растительного вещества в агропочвах оказывает подземная мортмасса. Наименьшие запасы растительных остатков обнаружены в чистых парах за счет предшествующих культур – около 1,4 т/га. Наибольший запас характерен для естественных лугов и сенокосов – 28,5 т/га.

• 2.    Интенсивность разложения растительных остатков имеет прямую положительную связь с интенсивностью их поступления в мор-тмассу (r = 0,59).

• 3.    Кинетический потенциал разложения растительных остатков имеет тесную отрицательную связь с соотношением в них углерода к азоту (C/N) (r = 0,89).

В заключение хотелось бы выразить бесконечную благодарность своему учителю Валентине Владимировне Чупровой.