Воспроизводство плодородия орошаемых темно-каштановых почв Поволжья и управление минеральным питанием сельскохозяйственных культур

В сухо-степной зоне Поволжья на почвах каштанового типа недостаточная влагообеспеченность растений, в сочетании с периодически повторяющимися сильными засухами, является главной причиной дестабилизации сельскохозяйственного производства, при общем невысоком уровне его продуктивности. Во второй половине 20-го века особенно большой ущерб сельскому хозяйству нанесли засухи 1969, 1972, 1975, 1998 гг. Существующие приемы богарного земледелия в лучшем случае смягчают неблагоприятное действие засухи. Коренное же изменение водного режима почвы и растений в зоне сухих степей возможно только путем орошения. В настоящее время, в связи с неблагоприятной экономической ситуацией в Российской Федерации, площадь орошаемых земель в сухо-степной зоне Поволжья резко сократилась. В Волгоградской области в 1997 г. орошаемые угодья составили 269,9 тыс. га., из них пашни — 264,0 га. В Саратовской области, соответственно, 264,0 тыс. га и 245,0 тыс.га., из них 236,0 тыс. га или 96,0% орошаемой пашни находится в 5−7 микрозонах Левобережья на почвах каштанового типа и отчасти южных черноземах. Периодические расширения и сокращения площади орошаемых земель не снимают актуальность изучения медленно идущих почвенных процессов с возможными кумулятивными негативными явлениями. Предсказать их появление и вовремя приостановить дальнейшее развитие можно лишь располагая результатами длительных непрерывных наблюдений и исследований в режимных агроэколо-гических мониторингах.

Орошение пресной водой резко изменяет гидротермический режим, присущий сухо-степным почвам, интенсифицирует лабилизацию минералов поч-вообразующих пород с накоплением в почво-грунтах водорастворимых солей. При длительном орошении процессы нисходящей миграции водорастворимых солей могут сменяться процессами их восходящей миграции с подъемом солей из соленосных слоев почво-грунтов и отложением в корнеобитаемом слое, что ведет к изменению состава поглощенных катионов, появлению вторичного ощелачивания и осолонцевания почв с благоприятным исходным мелиоративным состоянием.

В орошаемых почвах возрастает подвижность солей фтора и тяжелых металлов, что может существенно ухудшить общую экологическую ситуацию в агроландшафтах. Из промышленных удобрений наиболее экологически неблагоприятным составом характеризуются фосфорные удобрения. В стандартном двойном суперфосфате в среднем содержится (г/т): анионов Р- 4000, СГ — 568, 8042″ - 701- химических элементов Мя — 4500, Мп — 650, Сг — 41, РЬ и V — 38, № -17. Систематическое применение высоких доз фосфорных удобрений ведет не только к непосредственному загрязнению почвы этими элементами, но и за счет остатков в удобрении неорганических кислот (Р042″, 80/", С1 Б") способствует увеличению подвижности содержащихся в почве солей мышьяка, свинца, ванадия, подвижных солей марганца возрастает в 1,5−2 раза, стронция — в 4 раза. Вследствие этого местные органические удобрения, особенно в ландшафтах с достаточно высоким природным загрязнением фтором и тяжелыми металлами, также могут дополнительно загрязнять почву. Однако содержание и динамика солей фтора и тяжелых металлов в орошаемых почвах сухих степей, при различном их сельскохозяйственном использовании, практически не изучено.

Основой жизнедеятельности почвы является содержание, состав и режим азотосодержащих органических веществ (Д.С. Орлов, 1988), значимость которых в сохранении экологической устойчивости и производительной способности почвы в условиях орошения резко возрастает. По современным экспериментально-обоснованным представлениям сильные техногенные и биогенные воздействия нарушают экологическое равновесие в почве между относительно устойчивыми и лабильными формами органических веществ, с последующим его восстановлением, как правило, на более низком энергетическом уровне. Систематическое применение минеральных азотных удобрений и массированных доз органических удобрений с узким С: И ведет не к безграничному накоплению в почве гумуса, содержание которого ограничено естественными эколо-го-генетическими параметрами, а к усилению биохимических процессов разрушения минералов почвы и органических азотосодержащих веществ с новообразованием преимущественно лабильных соединений. Адаптивной реакцией почвы на такие сильные внешние воздействия является трансформация состава азотосодержащих органических веществ с преобладанием наиболее биотермо-динамически устойчивых форм и возможным снижением абсолютного содержания гумусовых кислот и легкогидролизуемого азота (Д.С. Орлов, 1988; Л. И. Костюкевич и др., 1993; Н. Ф. Коробский, 1995). Вместе с тем именно процессы разрушения относительно устойчивых минеральных и органических веществ почвы создают материальные предпосылки резкого повышения продуктивности агроценозов с высокой оплатой удобрений прибавками урожая, при значительном снижении затрат на использование удобрений. Отсюда вытекает главное противоречие современного потребительского земледелия. С одной стороны, ставится задача максимально эффективного использования абиотических и биотических ресурсов на формирование продуктивности культур с отчуждением урожая основной и почти всей побочной продукции, при минимализации техногенных затрат. С другой стороны очевидна необходимость хотя бы простого воспроизводства биоэнергетического потенциала почвы для сохранения достигнутой продуктивности культур и благоприятной экологической ситуации в агроландшафтах. При любой структуре агроценозов и любых агротехнологи-ях компромиссом между этими разнонаправленными задачами может быть только достижение замкнутости биогеохимического круговорота биогенных веществ путем широкого применения промышленных, главным образом, азотных удобрений с оставлением побочной продукции культур для возмещения потерь почвой прежде всего углерода. Ресурсы вторичной энергии (навоз, различные компосты) крайне ограничены и даже полное ее использование не может сколько-нибудь удовлетворительно решить проблему воспроизводства биоэнергетического потенциала почв в масштабах зоны или страны.

В связи с этим выявление экспериментальным путем особенностей трансформации в почве качественного состава азотосодержащих экзогенных и эндогенных органических веществ, с количественной оценкой биохимического круговорота различных форм органического углерода и азота в конкретных поч-венно-климатических и агротехнических условиях, является одним из приоритетных направлений теоретических и прикладных исследований в агрохимии и агропочвоведении. Актуальность этого направления исследований на орошаемых почвах Поволжья обусловлено очень слабой изученностью круговорота в почве азотосодержащих органических веществ, который изучали в основном в пахотном слое, что не отражает реальные процессы обмена веществ и энергии в генетическом профиле почв.

Очень слабо, как правило в пахотном слое, изучено в орошаемых почвах Поволжья содержание и динамика различных форм минерального фосфора и калия, которые как биогенные элементы также определяют способность почвы обеспечивать растениям оптимальные условия минерального питания.

Изучение содержания и динамики биогенных веществ только в верхнем слое почвы привело к определению их круговорота и баланса в ландшафтах преимущественно расчетными, фактически косвенными способами, на основе выноса из почвы урожаями отчуждаемой надземной биомассы элементов минерального питания. Однако без одновременного изучения круговорота и баланса биогенных веществ в генетическом профиле почвы прямыми химическими способами нельзя составить достаточно полного представления о взаимосвязях в системе почва-растения и реальном количественном выражении круговорота биогенных веществ различного качественного состава. Без чего, в свою очередь, невозможно разработать теоретические основы и практические способы воздействия на режимы почвы и условия минерального питания растений. В решении этой важнейшей задачи агрохимии и агропочвоведения незаменима роль длительных стационарных опытов, в которых объединяется действие и взаимодействие во времени всех факторов жизни растений. По этому поводу академик Д. Н. Прянишников писал: «Нельзя воздействовать на круговорот веществ в земледелии, не зная масштабов этого круговорота, а измерить масштабы круговорота невозможно без длительных опытов» .

Прогноз действия удобрений, разработка способов определения содержания в почве доступных растениям питательных веществ, способов оперативного контроля и регулирования условий минерального питания в онтогенезе при формировании различных плановых урожаев культур с хорошим качеством основной продукции — наиболее сложные и актуальные проблемы теоретических и прикладных исследований в агрохимии (Т.Н.Кулаковская, И. М. Богдевич, 1973; Т. Н. Кулаковская, 1975; Т. Н. Кулаковская и др., 1980). В Поволжье первые полевые опыты по изучению эффективности минеральных удобрений проведены в 1897 г. на Валуйской ОМС, где применение селитры повышало урожай зерна орошаемой яровой пшеницы на 6,0 — 7,5 ц/га. (М.Обухов, Отчет ВОМС за 1932. Рукопись). С тех пор научными учреждениями Поволжья достаточно хорошо изучено действие различных видов, форм и доз минеральных и органических удобрений на продуктивность орошаемых культур. Однако, за исключением исследований ВИУА на светло-каштановых почвах (Н.К.Болдырев, Е. А. Зверева и др., 1990), выходной продукцией в других опытах являются, как правило, рекомендуемые дозы удобрений при том или ином содержании в пахотном слое почвы питательных веществ. Как показывают результаты исследований ВИУА такой объем и особенно качество информации совершенно недостаточны для разработки научно обоснованных способов прогнозирования потребности в удобрениях, контроля и регулирования условий минерального питания растений в онтогенезе. Между тем в теории управления объем и качество информации является таким же важным и незаменимым ресурсом для достижения конечных целей, как материально-технические ресурсы. При неверных или недостаточных информативных сведениях о процессах и явлениях принимаются и реализуются ошибочные управленческие решения, приводящие к нерациональному использованию всегда ограниченных финансовых средств и материально-технических ресурсов.

Цель наших теоретических и прикладных исследований — установить направленность и интенсивность изменений основных свойств и режимов, динамику токсичных и биофильных веществ в генетическом профиле орошаемой темно-каштановой почвЫпри различных техногенных и биогенных воздействияхвыявить причинно-следственные взаимосвязи в системе почва-агроценозы-удобрения-окружающая среда с разработкой информационно-нормативной базы данных для управления воспроизводством плодородия почвы и условиями минерального питания растений.

Задачи исследований.

1.Изучить изменения во времени некоторых химических свойств орошаемой темно-каштановой почвы, выявить загрязненность почвы токсичными элементами.

2.Установить причинно-следственные взаимосвязи количественной динамики и качественной трансформации важнейших природных органических азо-тосодержащих веществ и минеральных фосфатов в генетическом профиле почвы, а также динамику подвижных форм минерального азота, фосфора и калия при различных системах удобрений в агроценозах.

3.Выявить размеры вовлечения фуражной люцерной в биологический круговорот почвенного и симбиотического азота, установить количественную значимость общего органически связанного (биологического) и симбиотического азота ПКО люцерны в азотном питании последующих культур, круговороте и балансе азота в агроценозах.

4.Определить биологический круговорот и баланс основных биогенных органических и минеральных веществ в системе почва-агроценозыудобрения-окружающая среда прямыми химическими и расчетными способами.

5.Изучить действие и последствие различных систем удобрений на величину урожая и качество основной продукции культур, продуктивность севооборотов. Установить энергетическую эффективность удобрений.

6.Разработать агрохимические нормативные способы почвенной и растительной диагностики для управления минеральным питанием растений в онтогенезе.

Основные защищаемые положения.

Режим водорастворимых солей и поглощенных оснований в генетическом профиле почвы, экологическая характеристика почвы по загрязненности фтором и тяжелыми металлами.

Закономерности количественной динамики и качественной трансформации важнейших биогенных органических и минеральных веществ в отдельных слоях и в целом в генетическом профиле почвы при различных техногенных и биогенных воздействиях.

Размеры вовлечения люцерной в биологический круговорот почвенного и симбиотического азота, значимость общего органически связанного и симбио-тического азота ПКО люцерны в азотном питании последующих культур, круговороте азота в агроценозах и воспроизводстве запасов органических азотосо-держащих веществ в почве.

Способы определения содержания в почве подвижного фосфора и обменного калия, способы определения баланса в почве фосфора, реально участвующего в питании растений.

Способы агрохимической почвенной и растительной диагностики для регулирования условий минерального питания растений в онтогенезе при формировании плановой величины и качества урожая культур.

Выводы.

1. Впервые разработанные или усовершенствованные способы прогноза, контроля и регулирования условий минерального питания растений в онтогенезе обеспечивают переход к преимущественно количественному выражению взаимосвязей в системе почва — растения или почва — растения — удобрения в виде математических уравнений и нормативов.

2. Для отдельных культур установлен оптимальный для диагностирования слой почвы, где тесная взаимосвязь между запасами минерального азота, подвижного фосфора и величиной урожая культур сопровождается минималь-ным расхождением между теоретическим и фактическим урожаем.

3. Разработаны нормативы оптимального исходного содержания нитратного азота и подвижного фосфора, определяемого по данным ПМФ, в оптимальном для диагностирования слое почвы, обеспечивающее формирование различных плановых урожаев культур.

4. Создание оптимальных исходных запасов в почве минерального азота и подвижного фосфора осуществляют с использованием нормативов затрат азота и фосфора минеральных удобрений для сдвига не единицу абсолютного содержания нитратного азота и подвижного фосфора, определяемого по данным ПМФ, в диагностируемом слое почвы.

5. Разработаны нормативы уменьшения содержания в диагностируемом слое разноудобренной почвы минерального азота за период начало-конец вегетации в связи с выносом азота урожаями культур.

6. Разработаны прямой, по данным определения ПМФ, и расчетно-нормативный способы определения баланса фосфора в диагностируемом слое почвы, отражающие изменение абсолютного содержания подвижного фосфора адекватно потреблению фосфора растениями или поступлению его с удобрениями.

7. Разработаны способы растительной диагностики для прогноза, контроля и оптимизации в онтогенезе условий минерального питания озимой и яровой пшеницы при формировании плановой величины урожая и качества зерна, и.

184 диагностики азотного питания кукурузы при формировании плановых урожаев зерна и силосной массы.

8.Разработаны способы прогностической и оперативной растительной диагностики для определения выноса из почвы азота, фосфора и калия урожаями биомассы озимой и яровой пшеницы.

1.При сохранении благоприятного мелиоративного состояния орошаемой темно-каштановой почвы сыртов идет медленное кумулятивное возрастание щелочности от бикарбонат-ионов, солевой рН, уменьшение содержания свободного кальция, в составе поглощенных оснований возрастает содержание магния. Формирование высоких урожаев ведет к сильному обессоливанию почж вы с выносом кальция порядка 76−100 кг/га в год, что при низком содержании свободного кальция снижает буферность почвы к ощелачиванию и осолонцева-нию.

2. Изучаемая почва характеризуется высоким природным загрязнением водорастворимым фтором, солями стронция, никеля, кадмия, меди, низким содержанием, но высокой подвижностью солей свинца. Основные источники дополнительного загрязнения почвы — минеральные фосфорные и местные органические удобрения.

3. Определяющая значимость гумуса в минеральном питании растений проявляется на неудобряемой азотом почве, при минимальных внешних техногенных и биогенных воздействиях, невысокой продуктивности культур, с экономически значимыми изменениями содержания общего гумуса в слое 0−30 см порядка ±0,35% или +12,84 т/га.

4. В современных потребительских системах орошаемого земледелия при экономически оптимальных системах удобрений, высокой биологической продуктивности агроценозов, но с отчуждением почти всего урожая надземной биомассы, разрушена природная аккумуляционная направленность гумусооб-разовательного процесса в генетическом профиле почвы.

5. В зависимости от количества и качества поступающих органических и минеральных биофильных азотосодержащих веществ процессы трансформации форм органического углерода и азота в отдельных слоях профиля почвы могут идти с разной направленностью и интенсивностью, при различной значимости в формировании качественного состава гумуса и органического азота.

6. При отрицательном балансе в почве органических веществ гумин, трудно — и негидролизуемые формы азота являются основными первичными источниками образования гумусовых кислот, легкогидролизуемого органи-ческого и минерального азота, а при положительном балансе — основными формами биологического закрепления азота и углерода.

7. Положительный баланс в почве общего гумуса (+0,50 т/га в год) и общего азота (+26,9 кг/га в год) складывается только на органо-минеральных системах удобрений (навоз 80 т/га + И45Р53,2 ежегодно + ПКО люцерны) локально в слое 0−40 см на период минерализации 2-х кратного за 8 лет массированного поступления органических веществ с узким СЖ, при коэффициенте гумификации органического углерода 16%, на 73% в слое 0−40 см и на 68% в слое 0−100 см фульватном составе гумусовых кислот, с наиболее высокими потерями гу-мина, труднои негидролизуемого азота из слоя 40−100 см, при отрицательном балансе гумуса и азота в профиле 0−100 см.

8. При вовлечении в активный биохимический круговорот всех форм азо-тосодержащих органических веществ во всем профиле почвы с резко выраженной их лабилизацией, стабилизация гумусового комплекса возможна только путем непрерывного воспроизводства биотермодинамически устойчивого гумусового профиля почвы при положительном балансе органических веществ с умеренным С: Ы преимущественно за счет побочной продукции агроценозов, возделывания многолетних бобовых трав, применения минерального азота под небобовые культуры, в сочетании с нисходящей миграцией свободных гумусовых кислот и последующим сорбционным и обменным их закреплением.

9. При коэффициентах симбиотической азотофиксации в надземной биомассе люцерны 2−3-го года жизни более 0,8, в ПКО — более 0,7, неудобряемая азотом люцерна за 3 года жизни вовлекает в биологический круговорот 8 641 180 кг/га общего азота, в том числе 80−82% симбиотически фиксированного, и в почве под травами складывается слабовыраженный положительный баланс азота. На реальное обогащение почвы азотом, сверх выноса азота из почвы урожаями, идет 3−5% от вовлеченного в круговорот, или 13−22% от N6 и 1729% от N4) в ПКО.

10. Значительное содержание в слое почвы 0−100 см применяемого или природного минерального азота стимулирует переход люцерны в определяющей степени на автотрофное азотное питание с формированием отрицательного баланса азота в почве под травами. Активное использование вегетирующей люцерной азота почвы, минерализующихся корневых выделений и прижизненно отмерших корней существенно снижает запасы биологического азота в почве и ПКО по пласту трав.

11. Главным фактором экологически опасного загрязнения почво-грунтов мигрирующим минеральным азотом является поступление биофильных минеральных и органических азотосодержащих веществ в размерах существенно превышающих ассимиляцию азота микробиотой и растениями за вегетацию.

12. Систематическое применение фосфора в составе полного минерального и органо-минерального удобрения в дозах выше выноса урожаями существенно обогащает общим фосфором слой почвы 0−40 см, с увеличением содержания минеральных фосфатов 1-П фракции почти во всем профиле, но с резким возрастанием потерь общего фосфора из слоя 40−100 см. В неудобряемой почве, на органической и минеральной азотной системах удобрений различными темпами идут потери фосфора из всего генетического профиля.

13. Сильное разрушение минеральных высокоосновных фосфатов почвы слоя 40−100 см, с образованием подвижного экстра-фосфора и потреблением его растениями, идет в результате гидролитического воздействия как мигрирующих вниз остаточных кислот азотнокислых и фосфорнокислых минеральных удобрений, так и мигрирующих фульвокислот, образующихся при минерализации большой массы органических удобрений и ПКО люцерны с узким С:1[.

14. Разработан новый способ определения содержания в почве подвижного фосфора, основанный на определении потенциальной способности почвы к мобилизации фосфора на текущую и последующие вегетации (ПМФ), отражающий динамику фосфора в оптимальном для диагностирования слое почвы адекватно потреблению фосфора растениями или поступлению его с удобрениями. По аналогии разработан новый способ прогнозирования накопления обменного калия в том же слое почвы (ПМК) на текущую и последующие вегетации.

15. При неуклонном снижении азотминерализующей способности орошаемой почвы решающим фактором формирования высокопродуктивных аг-роценозов является оптимизация их азотного питания путем применения главным образом промышленного азота под небобовые культуры. Высокая эффективность фосфорных удобрений возможна на почвах с низким содержанием подвижного фосфора. При высоких запасах в почве общего и обменного калия, с непрерывным восстановлением запасов обменного калия, систематическое применение К120 не влияет на условия калийного питания растений.

16. Применение навоза КРС с минеральным азотом сужает C. N в почве и удобрении, усиливает разрушение в период вегетации минералов почвы, эндогенных и экзогенных органических веществ с дополнительным накоплением подвижных элементов, что существенно повышает уровень минерального питания растений и общую агроэкономическую эффективность эксплуатации почвы при меньших непродуктивных потерях азота почвы и удобрений.

17. Азотные удобрения не влияют существенно на урожай биомассы люцерны и содержание в ней протеина. Складывающийся в результате синергиче-ского эффекта высокий уровень азотного питания яровой твердой пшеницы по пласту трав (минеральный азот ПКО + экстра-азот почвы) обеспечивает формирование до 4,0−4,5 т/га высококачественного зерна без применения азотных удобрений.

18. Потенциальная способность сильных сортов мягкой озимой и яровой пшеницы к формированию высококачественного зерна реализуется путем соз.

189 дания относительно избыточного азотного питания в онтогенезе, когда дальнейшее его усиление не повышает существенно урожай зерна. Усиление фосфорного питания, как правило, ухудшает качество зерна.

19. При тесной положительной взаимосвязи между содержанием в зерне протеина, сырой клейковины и ее физическими свойствами по ИДК, формирование клейковины 1-П группы наиболее вероятно при содержании в зерне озимой пшеницы протеина не более 13−14%, клейковины — до 30%, у яровой пшеницы, соответственно, не более 14−15% и 32−34%. Собственно хлебопекарные свойства муки из зерна сильных сортов пшеницы являются наследственно обусловленными признаками.

20.Практическое управление минеральным питанием растений в онтогенезе основано на последовательном комплексном использовании прогностической почвенной и оперативной растительной диагностики. На новой методической и экспериментальной основе разработаны нормативы почвенной диагностики азотного и фосфорного питания растений, прямой химический и нормативно-расчетный способы определения баланса подвижного фосфора в оптимальном для диагностирования слое почвы. Для основных небобовых культур разработаны или уточнены способы растительной диагностики минерального питания в онтогенезе, способы прогнозирования выноса из почвы основных элементов питания урожаями озимой и яровой пшеницы.

1.При неглубоком залегании в темно-каштановой почве сыртов соленос-ных горизонтов для предотвращения кумулятивного нарастания ощелачивания и осолонцевания необходимо перейти на поливные и оросительные нормы с промачиванием слоя менее 0,80 м, в сочетании с периодическим применением гипса для нейтрализации щелочности и компенсации отчуждения с урожаями кальция.

2. Главное условие предотвращения дегумификации орошаемой почвынепрерывное воспроизводство гумусового профиля преимущественно как следствия агротехнологий, направленных на формирование плановой урожайности культур с высокой окупаемостью прямых затрат, путем оставления побочной продукции агроценозов, возделывания многолетних бобовых трав, применения эколого-экономически оптимальных доз минерального азота под небобовые культуры.

3. При отсутствии чистых паров основные условия высокой агрономической и энергетической эффективности навоза КРС в действии и последствииприменение в севооборотах без многолетних бобовых трав непосредственно под небобовые культуры с длинным вегетационным периодом в умеренных дозах (до 10 т/га севооборотной площади), в сочетании с ежегодным применением минерального азота.

4. Оптимизацию минерального питания культур до начала вегетации осуществляют с учетом величины планируемой урожайности на основе нормативной почвенной диагностики, с определением запасов нитратного азота, подвижного фосфора (по данным определения ПМФ) и обменного калия (по данным определения ПМК) в оптимальном для диагностирования слое почвы.

5. Оценку и оптимизацию условий минерального питания культур в период вегетации осуществляют способами растительной диагностики с использованием нормативов оптимального для планируемой величины и качества урожая содержания основных элементов питания в тканях растений.