Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Влияние различных способов, глубин и систем обработки почвы в севообороте на показатели плодородия почв и продуктивность сельскохозяйственных культур (аналитический обзор литературы) 13
1.1 Эволюция, современное состояние и тенденции в направлении развития основной обработки почвы 13
1.2 Обработка почвы как фактор оптимизации агрофизических показателей, сохранения и воспроизводства плодородия черноземных почв 20
1.3 Обработка почвы как прием повышения биогенности корнеобитаемого слоя, оптимизации агрохимических показателей и воспроизводства плодородия черноземных почв 36
1.4 Засоренность посевов при различных способах и системах основной обработки почвы 52
1.5 Продуктивность культур при различных способах, глубине и системах основной обработки почвы 60
Глава 2 Почвенно-климатические условия, схемы опытов и методика исследований 77
2.1 Общая характеристика природных ресурсов региона 77
2.2 Почвенно-климатическая характеристика места проведения исследований 85
2.3 Погодные условия в годы проведения исследований 88
2.4 Схемы опытов и методика исследований 90
Глава 3 Агрофизические показатели чернозема обыкновенного при различных способах и системах основной обработки почвы 102
3.1 Параметры обрабатываемого слоя и их влияние на агрофизические показатели плодородия почвы 102
3.2 Плотность сложения и пористость почвы 106
3.3 Твердость почвы 120
3.4 Структурно-агрегатное состояние почвы 127
3.5 Влажность почвы 136
Глава 4 Биологические процессы в черноземах при различных способах обработки почвы 151
4.1 Групповой состав микроорганизмов и микробиологические процессы 150
4.2 Ферментативная активность почвы 185
4.3 Разложение клетчатки и биосинтез аминокислот 202
4.4 Содержание углекислого газа в почвенном воздухе 217
4.5 Выделение углекислого газа из почвы 226
4.6 Подвижные гуминовые кислоты 231
Глава 5 Содержание подвижных форм основных элементов мине рального питания при различных способах, глубине и системах основной обработки почвы 235
5.1 Нитратный и легкогидролизуемый азот 235
5.2 Подвижный фосфор и обменный калий 248
Глава 6 Влияние различных способов, глубины и систем основной обработки почвы на показатели потенциального плодородия чернозема обыкновенного 273
6.1 Валовое содержание азота, фосфора и калия 274
6.2 Реакция почвенной среды и емкость катионного обмена 277
6.3 Содержание гумуса в почве 288
Глава 7 Засоренность посевов при различных способах, глубине и системах основной обработки почвы 293
Глава 8 Урожайность культур и продуктивность пашни при раз личных способах, глубине и системах основной обработки почвы в севообороте 305
8.1 Рост и развитие культур 305
8.2 Развитие корневой системы культур 309
8.3 Структура урожая выращиваемых культур 311
8.4 Урожайность культур при различных способах и системах обработки почвы в севообороте 318
8.5 Химический состав и качество продукции 349
Глава 9 Экономическая и биоэнергетическая эффективности применения различных приемов и систем основной обработки почвы 361
Глава 10 Теоретическое обоснование модели оптимального строения обрабатываемого слоя в почвенно-климатических условиях юго-востока ЦЧЗ (модельные микрополевые опыты) 378
10.1 Плотность сложения обрабатываемого слоя при различной степени крошения почвы 379
10.2 Твердость почвы при различном крошении обрабатываемого слоя 381
10.3 Влажность почвы и урожайность ячменя при различной степени крошения обрабатываемого слоя 383
10.4 Плодородие чернозема при различном формировании обрабатываемого слоя 387
10.5 Плодородие чернозема при различной глубине заделки растительных остатков в обрабатываемом слое почвы 389
10.6 Влажность почвы при различном распределении растительных остатков в обрабатываемом слое 391
10.7 Микробиологическая активность почвы при различной глубине заделки растительных остатков в обрабатываемом слое 393
10.8 Содержание элементов минерального питания в почве при различной глубине заделки растительных остатков в обрабатываемом слое 398
10.9 Эффективность удобрений при различной глубине заделки в обрабатываемом слое почвы 401
Основные выводы 406
Рекомендации производству 412
Список литературы 413
Приложения 471
- Обработка почвы как прием повышения биогенности корнеобитаемого слоя, оптимизации агрохимических показателей и воспроизводства плодородия черноземных почв
- Групповой состав микроорганизмов и микробиологические процессы
- Реакция почвенной среды и емкость катионного обмена
- Микробиологическая активность почвы при различной глубине заделки растительных остатков в обрабатываемом слое
Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из важных условий разработки и высокой эффективности внедрения адаптивно-ландшафтного земледелия является совершенствование систем обработки почвы, основанное на снижении энергозатрат и воспроизводстве почвенного плодородия. Актуальность проблемы связана не только с высокими энергетическими (до 40% от затрат на возделывание) и трудовыми (до 25%) затратами на обработку почвы в агро-технологиях, но и с проблемами воспроизводства плодородия почвы и повышения продуктивности сельскохозяйственных культур (Саранин К.А., Старовойтов Н.А., 1990; Максютов Н.А., Жданов В.М., Захаров В.П., Лактионов В.К., 2006; Дедов А.В., Трофимова Т.А., Болучевский Д.А., 2013; Ку-зыченко Ю.А., 2014).
В связи с этим, поиск путей совершенствования и разработки наиболее рациональных экономически и экологически эффективных систем основной обработки почвы в полевых севооборотах в почвенно-климатических условиях юго-востока Центрально-Черноземного района является актуальным, имеет фундаментальное научное и практическое значение.
Цель исследований заключается в решении проблемы оптимизации систем основной обработки почвы, обеспечивающих снижение энергозатрат и воспроизводство плодородия черноземов, разработке научных принципов и методов их рационального использования и получения высокой продуктивности и рентабельности производства сельскохозяйственных культур в зер-нопропашных севооборотах ЦЧР.
В соответствии с целью решались следующие задачи:
1. Установить изменение агрофизических, биологических и агрохими
ческих показателей плодородия, фитосанитарного состояния посевов при
различных системах основной обработки чернозема обыкновенного.
2. Выявить взаимосвязи между параметрами обрабатываемого слоя,
плодородием почвы и продуктивностью сельскохозяйственных культур.
-
Установить изменение показателей потенциального плодородия черноземных почв в зависимости от различных приемов обработки и внесения удобрений.
-
Разработать модель обрабатываемого слоя, обеспечивающую высокоэффективную реализацию почвенно-климатического потенциала, воспроизводство плодородия чернозма обыкновенного и формирование высокой продуктивности сельскохозяйственных культур.
-
Определить влияние различных систем основной обработки почвы на урожайность, качество, экономическую и биоэнергетическую эффективность возделывания полевых культур.
-
Разработать научно-обоснованные рациональные системы основной обработки почвы, обеспечивающие воспроизводство плодородия чернозема обыкновенного и высокоэффективную реализацию почвенно-климатического потенциала.
Объекты научных исследований: чернозм обыкновенный, сорта и гибриды сельскохозяйственных культур, районированные в годы проведения исследований.
Предмет исследований: плодородие почвы, обработка почвы, применение удобрений, приемы и элементы технологии возделывания, урожайность и качество сельскохозяйственных культур.
Научная новизна и теоретическая значимость исследований заключается в разработке научных принципов и методологических подходов к совершенствованию обработки почвы в полевых севооборотах в юго-восточной части ЦЧР.
Установлены особенности и закономерности формирования физических, биологических свойств, питательного режима чернозема обыкновенного и фитосанитарного состояния посевов при применении различных систем основной обработки почвы в зернопропашном севообороте. Выявлены системные взаимосвязи между показателями параметров обрабатываемого слоя агрофизическими и биологическими свойствами почвы. Установлено, что крошение обрабатываемого слоя и поступление растительных остатков на 36-50% определяют плотность сложения почвы в течение вегетации.
Выявлено, что систематическая безотвальная обработка почвы приводит к снижению биогенности и эффективного плодородия черноземных почв и продуктивности пашни. Установлено, что численность аммонифицирующих микроорганизмов снижается на 8,7-14,5%, азотобактера – на 39,9-44,3%, обеспеченность почвы нитратным азотом – на 7,9-11,9%, а численность минерализаторов гумуса увеличивается на 25,9-53,0%, активность пероксидазы – на 14,1-17,4%.
Впервые в многолетнем стационарном опыте установлены тренды изменения содержания органического вещества, подвижных форм и валового фосфора и калия в чернозме обыкновенном при различных обработках почвы. Выявлено, что при ежегодной отвальной обработке на глубину 20-22 см содержание гумуса в слое почвы 0-40 см составляло 6,36%, ежегодной безотвальной – 6,17%, при ежегодном внесении N60P60K60 – 6,56 и 6,33% соответственно.
Разработаны научно-обоснованные принципы и модель формирования обрабатываемого слоя, заключающаяся в создании гомогенного слоя на глубину 0-21 см из почвенных агрегатов не более 5 см в диаметре, с равномерным распределением растительных остатков и минеральных удобрений в нем, обеспечивающая воспроизводство плодородия черноземных почв и высокую продуктивность сельскохозяйственных культур.
Выявлены системные взаимодействия между показателями плодородия почвы и урожайностью сельскохозяйственных культур.
Установлено, что продуктивность яровых зерновых культур обусловлена варьированием показателей: потенциального плодородия на 49-70%, эффективного плодородия – на 20-51%, агрофизических показателей – на 17-
37%; сахарной свеклы – на 16-86%, 2-53% и 2-33%; подсолнечника – на 33-74%, 40-58% и 24-38% соответственно.
Разработаны фундаментальные принципы минимализации основной обработки почвы для полевых севооборотов ЦЧР.
Практическая значимость диссертационного исследования.
Разработаны рекомендации по применению различных способов и систем обработки почвы под культуры зернопропашного севооборота. Рекомендованные производству системы основной обработки почвы под культуры полевых севооборотов, адаптированные к условиям юго-востока ЦЧР, обеспечивают стабильно высокую эффективность использования почвенно-климатического потенциала с выходом 3,96-4,02 т/га к.е., с коэффициентом энергетической эффективности – 3,63-3,64, с применением удобрений N60P60K60 – 5,00-5,09 т/га к.е. и коэффициентом энергетической эффективности – 3,00-3,03. Применение данных систем основной обработки почвы обеспечивает повышение урожайности сельскохозяйственных культур, максимальную отдачу от вкладываемых средств, с себестоимостью 1 к.е. 1,91 рубля, при уровне рентабельности 214%, препятствует деградации и способствует воспроизводству плодородия черноземных почв.
Результаты исследований прошли производственную проверку в ФГУП «Докучаевское», СПК «Заря», ООО «Агротех-Гарант Славянский» Таловско-го района, ООО «Нива» Павловского района и внедрены в хозяйствах Воронежской области на площади более 10 тыс. га.
Материалы работы использованы при разработке рекомендаций по возделыванию сельскохозяйственных культур в агроэкологических районах Воронежской области (2010, 2011, 2013), включены в «Систему ведения агропромышленного производства Воронежской области до 2010 года» и в книгу «Адаптивно-ландшафтные системы земледелия Воронежской области» (2013).
Основные положения диссертационного исследования расширяют фундаментальные знания о влиянии обработки почвы на агроэкологическое состояние чернозма обыкновенного. Результаты исследований используют в учебном процессе при подготовке студентов и специалистов агрономических специальностей, при изучении дисциплин «Общее земледелие», «Системы земледелия», «Агропочвоведение», а также в сельскохозяйственных предприятиях.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Закономерности изменения агрофизических показателей плодородия черноземных почв в системе основной обработки почвы в севообороте.
-
Эффективное и потенциальное плодородие чернозма обыкновенного при различных системах основной обработки почвы.
-
Модель оптимального обрабатываемого слоя - гомогенный слой 0-21 см из почвенных агрегатов не более 5 см в диаметре, с равномерным распределением растительных остатков и удобрений в нем.
-
Оптимальные агрофизические, агрохимические, биологические свойства, снижение засоренности полей и посевов, повышение урожайности и качества получаемой продукции обеспечивает отвальная обработка чернозма обыкновенного на глубину 20-22 см с внесением удобрений.
-
Системный подход к разработке рациональной основной обработки чернозма обыкновенного в условиях ЦЧР.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и получили положительную оценку на международных научно-практических конференциях: Белгород, 2000, 2003; Каменная Степь, 2010; Владимир, 2013; Тамбов, 2014; на Всероссийских научно-практических конференциях: Саратов, 1989; Краснодар, 1990; Каменная Степь, 2002, 2003; Владимир, 2008, 2010; на региональных научно-практических конференциях: Каменная Степь, 2003, 2004, 2005, 2009, 2014, 2015, 2016; на ученых советах НИИСХ ЦЧП им. В.В. Докучаева 1989-2017 гг.
Публикации. Основные результаты исследований нашли отражение в 95 опубликованных работах, в том числе 45 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и в 3 монографиях.
Личный вклад автора. Автору непосредственно принадлежит постановка проблемы и направлений исследований, разработка программ и составление планов проведения и методики опытов, анализ экспериментальных данных, обоснование научных положений, выводов и рекомендаций производству. Доля участия автора 90%.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 511 страницах компьютерного текста, состоит из введения, 10 глав, выводов и предложений производству, списка использованной литературы, включающего 579 наименования, в том числе 31 публикация иностранных авторов, содержит 109 таблиц, 37 рисунков и 27 приложений.
Обработка почвы как прием повышения биогенности корнеобитаемого слоя, оптимизации агрохимических показателей и воспроизводства плодородия черноземных почв
Плодородие почвы неразрывно связано с жизнедеятельностью комплекса почвенных микроорганизмов и биохимическими процессами, происходящими в ней. Уже в начале 20 века Костычев П.А. считал, что познание почв, особенно с агрономической точки зрения,без микробиологической характеристики не может быть полным (Костычев П.А., 1949). Поэтому вопросы воспроизводства почвенного плодородия и управления им, в конечном счете, сводятся к проблеме управления микробиологическими процессами (Вильямс В.Р., 1951; Мишустин Е.Н., 1972; Дедов А.В., 2000; Верзилин В.В., 2004; Коржов С.И., 2006; Безлер Н.В.,2006, 2008).
Жизнедеятельность микроорганизмов, как известно, определяется свойствами почвенной среды. Механическая обработка почвы, перемещая слои обрабатываемого горизонта, создавая различные агрофизические условия и по-разному распределяя свежее органическое вещество по почвенному профилю, играет большую роль в сосредоточении и заселении микроорганизмами корнеобитаемого слоя.
Дифференциация пахотного слоя по биогенности и плодородию является общебиологической закономерностью (Мишустин Е.Н., 1956; 1972; Бабьева И.П., Зенова Г.М., 1989; Безлер Н.В., 2006, 2008; Коржов С.И., 2006; Девятова Т.А., 2006). По мере углубления численность микроорганизмов и биологическая активность постепенно снижаются (Мишустин Е.Н., 1972; Ка-рягина Л.А., 1983), поэтому в естественном сложении и при прекращении оборачивания и перемешивания почвенного слоя нарастает его гетерогенность. Как правило, верхний горизонт (0-10 см) более обогащенный органическим веществом наиболее богат микроорганизмами. При благоприятных почвенно-климатических и гидротермических условиях ему свойственна большая биогенность. Как отмечает Е.Н. Мишустин (1972) во влажных климатических условиях на дерново-подзолистых почвах отмеченное положение сохраняется в течение всего вегетационного периода. В черноземах же, как и во всех почвах сосредоточенных в более засушливых климатических условиях, наблюдается иная картина. Эти почвы сформированы и находятся в зоне недостаточного увлажнения, и летом в период вегетации их верхний горизонт обычно подсыхает и пересыхает. В силу этого микробное население верхнего горизонта заметно уменьшается и происходит угнетение микробиологической деятельности (Турусов В.И., 2004). При сильном летнем иссушении почвы максимум численности микроорганизмов может быть обнаружен не в верхнем слое, а на некоторой глубине, где сохраняется влага (Бабьева И.П., Зенова Г.М., 1989). Распределение корневых систем растений так же стимулирует распределение и перемещение микроорганизмов в почвенных слоях. Во всех типах почв они служат источником органических веществ и на их поверхности обитает гораздо больше микроорганизмов, чем в окружающей почве (Мишустин Е.Н., 1972; Бабьева И.П., Зенова Г.М., 1989; Круглов Ю.В., 1990).
Исследования показывают, что почва более глубоких слоев обладает рядом неблагоприятных свойств для роста и развития растений и микроорганизмов. По мере углубления в почве несколько снижается окислительно-восстановительный потенциал (Мишустин Е.Н., 1972). Установлено, что более глубокие слои почвы обогащаются углекислым газом. В слое 10-20 см содержание СО2 почти удваивается (Гречин И.П., 1964; 1970). Пахотный слой любой почвы неоднороден (Худяков Я.П., 1972; Мишустин Е.Н., 1972). В отдельных случаях он может различаться по мощности, но общие закономерности его строения остаются неизменными (Тарвидас И.И., 1953; Мишу-стин Е.Н., 1956, 1972; Бараев А.И., 1975).
Однако до последнего времени остаются недостаточно изученными теоретические принципы влияния обработки почвы и удобрений в различных почвенно-климатических условиях на плодородие почвы и продуктивность выращиваемых культур. Отставание теории обработки почвы от запросов практики отмечают и зарубежные исследователи (Haber W., 1964; Jaggi W., 1976; Войнова-Райкова Ж. и др., 1986).
Механическая обработка почвы является мощным фактором регулирования почвенного плодородия. Однако о том, как обрабатывать почву, с оборачиванием рыхлимого слоя или без оборачивания и на какую глубину, чтобы рационально используя плодородие почвы, получить наивысший урожай, всегда были различные точки зрения.В работах одних исследователей отмечается, что лучшие условия для течения микробиологических процессов и формирования плодородия почвы складываются при безотвальной обработке (Квасников В.В., Комаров М.И., 1957; Шикула Н.К., 1983; Аверьянов Г.Д., Матюшин М.С., Шаряпова А.И., 1984; Тазабеков Т.Т, Тазабекова Е.Т., 1985) в работах других исследователей, наоборот, при обработке почвы с оборотом пласта (Торжевский В.И., 1983; Кутовая Н.Я., 1984; Витер А.Ф., 1990; Сдобников С.С., 1994; Власенко А.Н. и др., 2006). Есть работы, в которых указывается, что обработки почвы по-разному формируют биологическую активность по различным прослойкам обрабатываемого слоя (Торопкина А.Л., 1963; Кивер В.Ф. и др., 1976; Чуданов А.И., 1976).
С другой стороны есть исследования, где отмечается, что при безотвальной обработке почвы, при разложении растительных остатков, постепенно накапливаются ингибирующие вещества, и наоборот происходит угнете ние микрофлоры почвы и нарастают процессы, отрицательно влияющие на рост и развитие растений (Круть В.М., Бенедичук Н.Ф., 1979).
И.П. Макаров, Г.Д. Аверьянов, М.С. Матюшин (1984) считают, что численность микроорганизмов, участвующих в минерализации органического вещества, не зависит от способа обработки почвы. При этом активность микроорганизмов в слое 20-30 см на фоне рыхления слабее, а в слое 0-10 см сильнее, чем по вспашке. Подобное явление происходит и в отношении нит-рификационной способности и накоплении аминокислот на льняном полотне.
В исследованиях Лысака Г.Н., Каипова Я.З., Гилязетдинова А.С. (1990), Ладонина В.Ф., Леринца Ф.А., Крамарева С.М. (1997) подчеркивается, что при плоскорезной обработке происходит активизации аэробных микроорганизмов, а в подпахотном слое отмечается обратная закономерность, что связано с уменьшением поступления свежего органического вещества в нижележащие слои почвы. При этом Михновская А.Д., Кириченко Т.П., Панчен-ко В.Ф. (1992) при анализе более длительных исследований пришли к выводу, что только при краткосрочном использовании безотвальной обработки в слое 0-20 см происходит возрастание численности микроорганизмов, участвующих в трансформации свежего органического вещества и это способствовало повышению содержания гумуса на 0,3-0,4%. Длительное же использование таких обработок (18 лет) усиливало минерализационные процессы и приводило к деструкции поступающего органического вещества гумуса почвы. Хотя Н.И. Картамышев, М.М. Ломакин, И.П. Бардунова (1989) считают, что мелкая обработка и мульчирование почвы обеспечивают оптимальные условия для гумусообразования.
Поскольку для микробиологической активности большое значение имеет сосредоточение и распределение растительных остатков по обрабатываемому слою, то большой интерес представляют данные О.Е. Аврова, З.М. Мороза (1979). По их данным наиболее оптимальные условия разложения свежего органического вещества создаются при равномерном его распределении в пахотном слое почвы. При заделке соломы на глубину 20-30 см темпы ее разложения снижались, и ослаблялась роль СО2 в питании растений. Интенсивность разложения растительных остатков при поверхностном размещении была выше, чем при заделке в слой 20-30 см только в хорошо увлажненные годы. В природных условиях очень часто бывают засушливые периоды, когда верхний слой почвы иссушается, поэтому при поверхностном сосредоточении растительных остатков наблюдается снижение скорости разложения их. По мнению авторов при поверхностном размещении соломы доступные для питания растений формы азота в большей степени подвергаются иммобилизации.
Аналогичные данные снижения ряда показателей биологической активности черноземов обыкновенных при применении безотвальной обработки получены в опытах О.Г. Сулеймановой, С.Ю. Булыгина, Н.В. Байрака (1985), О.Г. Котляровой, Г.Н. Гаврилова (1987). Авторы отмечают, что в сравнении со вспашкой, при безотвальной обработке количество нитрифика-торов снижается в полтора раза, а число микроорганизмов, усваивающих минеральный азот, увеличивается. Это приводит к уменьшению по всему профилю нитратов и подвижного фосфора. Хотя некоторые авторы, выполнявшие исследования в условиях ЦЧЗ считают, что мелкая обработка и мульчирование почвы обеспечивают оптимальные условия для гумусообразования (Картамышев Н.И., Ломакин М.М., Бардунова И.П., 1989; Пыхтин И.Г., Шутов Е.В., 2004).
Групповой состав микроорганизмов и микробиологические процессы
В создании почвенного плодородия, в процессах синтеза и минерализации гумуса, водопрочной структуры, содержании в почве элементов минерального питания значительная роль принадлежит почвенным микроорганизмам. В свою очередь, численность и жизнедеятельность микроорганизмов в почве зависит от физико-химических свойств почвенной среды, содержания в почве органического вещества и элементов минерального питания (Мишустин Е.Н., 1972; Muller G., Hichisch B., Tischer H., 1972; Карягина Л.А., 1983, 1989; Чундерова А.И., 1973; Галстян А.Ш., 1974; Хазиев Ф.Х., 1976; Круглов Ю.В., 1990; Верзилин В.В., Трунова В.А., 1992).
Показатели микробиологической активности в отличие от физических свойств почвы более динамичны и существенно изменяются по сезонам года и в течение вегетационного периода в зависимости от гидротермических условий, сроков поступления в почву растительных остатков, накопления питательных веществ и т.д. В связи с этим интенсивность и направленность почвенных микробиологических процессов во многом определяется агротехническими приемами, особенно основной обработкой почвы, так как она формирует обрабатываемый слой и определяет его агрофизические свойства, поступление и распределение свежего органического вещества (основного источника питания микроорганизмов), влажность и аэрацию слоя почвы, обогащенного органическим веществом. Приемы основной обработки почвы определяют интенсивность процессов минерализации и гумификации растительных остатков, синтеза элементов минерального питания и выделения углекислого газа в приземный слой воздуха (Щербаков А.П., Рудай И.Д., 1983; Щербаков А.П., Асыка Н.Р., Артуганова З.И., 1985; Кирюшин В.И., 2013).
Однако чрезмерно высокая интенсивность микробиологических процессов ведет к ускоренной минерализации свежего органического вещества, в результате чего происходит разложение гумуса и снижение почвенного плодородия (Лыков А.М.,1982; Михновская А.Д., Миронова Л.М., 1983; Туев Н.А., 1984,1989; Берестецкий О.А., 1986; Карягина Л.А., 1989; Кулаков-ская Т.Н., 1990; Орлов Д.С., 1990; Паринкина О.М., Клюева Н.В., 1995). Поэтому в основе научно-обоснованного земледелия должен лежать принцип оптимизации структуры микробного ценоза и активизации жизнедеятельности микроорганизмов и беспозвоночных, улучшающих структуру почвы и стимулирующих накопление гумуса.
Анализ результатов многолетних наблюдений за изменением микробного ценоза чернозема обыкновенного при различных способах и глубине основной обработки почвы и различной длительности их воздействия свидетельствует, что способы и глубина обработки почвы оказывают неоднозначное влияние на биогенность почвы, структуру микробного ценоза и его динамику.
Исследованиями, проведенными в краткосрочном опыте установлено, что в начале вегетационного периода при благоприятных гидротермических условиях и хорошей увлажненности почвы общая численность микроорганизмов выше по безотвальным обработкам независимо от характера воздействия на обрабатываемый слой (опыт № 1). В начале вегетации ячменя по безотвальным обработкам она находилась в пределах 68,5-122,8 млн. КОЕ в 1г абсолютно-сухой почвы, а при отвальных обработках в интервале 74,9-80,2 млн. КОЕ в 1 г абсолютно-сухой почвы. В варианте без основной обработки почвы численность микроорганизмов составила – 88,0 млн. КОЕ в 1 г абсолютно сухой почвы под ячменем (таблица 19).
В почве под пропашной культурой - подсолнечником по безотвальным обработкам общая численность микроорганизмов также была выше и составляла 139,3-208,0 млн. КОЕ в 1 г абсолютно-сухой почвы, при вспашке – 104,0, в почве без основной обработки – 148,0 млн. КОЕ в 1 г абсолютно-сухой почвы (таблица 20).
Даже при краткосрочном воздействии различных способов основной обработки почвы несколько изменялась численность специфических групп микроорганизмов (таблица 19, 20). В начале вегетации ячменя и подсолнечника по безотвальным обработкам при любом характере воздействия на обрабатываемый слой отмечается увеличение численности группы микроорганизмов, участвующих в разложении почвенного органического вещества – минерализаторов гумуса. Их количество в слое почвы 0-40 см в почве под ячменем составляло 26,8-42,2 млн. КОЕ в 1 г абсолютно сухой почвы, в необработанной почве – 25,4 млн. КОЕ, тогда как при отвальной обработке – 26,5 млн. КОЕ, при сочетании вспашки с глубоким чизелеванием – 25,2 млн. КОЕ в 1 г абсолютно сухой почвы. Особенно сильно активизируется эта группа микроорганизмов по безотвальным обработкам почвы в слое 0-20 см, когда происходит рыхление почвенного слоя, сопровождающееся усилением аэрации при отсутствии поступления свежего органического вещества в виде растительных остатков. В период 2-4 пар настоящих листьев у подсолнечника количество минерализаторов гумуса в слое 0-20 см по отвальной обработке составило – 61,0-49,3 млн. КОЕ в 1 г абсолютно сухой почвы, по безотвальным обработкам этот показатель находился в пределах от 101,1 при чи-зелевании на глубину 20-22 см до 84,0 млн. КОЕ в 1 г абсолютно сухой почвы при рыхлении плоскорезом. В необработанной почве численность минерализаторов гумуса составила 71,2 млн. КОЕ в 1 г абсолютно сухой почвы (рисунок 5).
Увеличение глубины безотвальной обработки почвы – чизелевание на глубину 45 см способствовало усилению минерализации гумуса, – количество минерализаторов гумуса на этом варианте в слое 0-20 см было максимальным и составило – 101,2 млн. КОЕ в 1 г абс. сухой почвы. То же самое отмечается в почве и под культурой сплошного сева – ячменем.
В начале вегетационного периода при благоприятных гидротермических условиях и хорошей увлажненности поверхностных слоев почвы, локализация растительных остатков в верхнем слое по безотвальным обработкам способствовала сосредоточению основной массы микроорганизмов, участвующих в минерализации свежего органического вещества и ассимилирующих минеральный азот в верхнем 0-10 см слое (приложение 7).
В почве под ячменем количество микроорганизмов, развивающихся на МПА, при чизелевании на глубину 20-22 см в слое 0-10 см составляло 36,6% к слою 0-40 см, при чизелевании на 45 см – 29,3 %, обработке орудием типа «параплау» – 37,0 %, на варианте без основной обработки почвы – 25,6 %, тогда как по отвальной обработке – 20,8 %. Количество микроорганизмов, развивающихся на КАА в слое почвы 0-40 см, по безотвальным обработкам было в полтора-два раза выше, чем по отвальной.
Развитие целлюлозоразлагающих микроорганизмов было практически одинаковым при всех обработках почвы. Только по безотвальным обработкам более высокая их численность была в верхних слоях почвы, при отвальных развитие микробиологических процессов шло более равномерно во всем 0-40 см слое почвы. Тоже самое прослеживается и по заселению почвы нитрифицирующими микроорганизмами и азотобактером.
В конце вегетационного периода в период созревания ячменя и под-солнечникапри снижении влажности почвы и особенно верхнего слоя, безотвальные способы обработки приводили к снижению численности зимогенной группы микрофлоры, актиномицетов, целлюлозоразлагающих микроорганизмов и грибов (приложение 8, 9).
Краткосрочное применение различных приемов основной обработки почвы мало сказывалось на изменении численности нитрификаторов и азотобактера. Хотя в почве под подсолнечником в период налива семян наибольшее количество азотобактера отмечается при вспашке на глубину 20-22 см (приложение 10).
Численность автохтонной микрофлоры, разлагающей гумусовые вещества, от начала и до конца вегетационного периода была больше по обработкам без оборота пласта. В 0-40 см слое почвы по безотвальным обработкам их было больше – на 34,3-80,2 %, чем по отвальной обработке на глубину 20-22 см. В период налива семян численность этой группы микроорганизмов была максимальной – 31,0 млн. клеток в 1 г абс. сухой почвы в необработанной почве (приложение 10). Здесь также четко прослеживаются различия в профильном заселении почвы микроорганизмами. По безотвальным обработкам лучшее развитие этой группы микроорганизмов в начале вегетационного периода наблюдается в верхнем 0-10 см слое почвы, а во второй половине вегетации в 20-40 см слое, что при отсутствии поступления свежей биомассы в эти слои почвы весьма неблагоприятно сказывается на процессах гумификации.
Поверхностное распределение основной массы растительных и корневых остатков даже прикраткосрочном применении безотвальных обработок активизирует их разложение в начале вегетационного периода, что связано с более быстрым прогреванием этого слоя почвы при недостатке тепла и достаточном количестве влаги (рисунок 6).
Реакция почвенной среды и емкость катионного обмена
Реакция почвенной среды имеет существенное значение в направленности почвенных процессов и плодородия почвы. Наиболее благоприятной в физиологическом отношении для растений и почвенных микроорганизмов является реакция почвеннойсреды близкая к нейтральной, слабокислой или слабощелочной. Черноземные почвы, характеризуются нейтральной реакцией почвенной среды (Акулов П.Г., 1992; Щербаков А.П., Васенев И.И., 1996).
Применение различных способов отвальных и безотвальных с различной глубиной обработки: в отвальных системах от 20-22 см до 35-37 см, в безотвальных от 10-12 см до 25-27 см существенного влияния на изменение кислотных свойств в слое 0-40 см чернозема обыкновенного не оказало (таблица 60, приложение 20). После двадцатипяти лет применения различных систем обработки почвы отвальных и без отвальных обменная кислотность в слое почвы 0-40 см мало изменилась и находилась в пределах от 6,74 до 6,88 в отвальных системах на глубину 20…25 см и от 6,84 до 6,87 в безотвальных системах (при НСР05 =0,22). Лишь при отвальных глубоких обработках (на глубину 30…35 см) прослеживается тенденция некоторого снижения обменной кислотности до 6,87-6,97.
Гидролитическая кислотность более полно отражает кислотные свойства почвы, так как включает в себя и менее подвижную часть ионов водорода, которые труднее обмениваются на катионы почвенного раствора. Как показывают результаты исследований за вторую ротацию произошло снижение гидролитической кислотности (приложение 20). После десяти лет проведения опыта при ежегодной вспашке отмечается некоторое снижение гидролитической кислотности почвы на удобренном и неудобренном фонах.
По безотвальным обработкам, даже при общей тенденции снижения гидролитической кислотности в почве стационара происходит незначительное ее повышение при использовании минеральных удобрений. При безотвальной разноглубинной обработке почвы – на 0,03 мг-экв/100 г или 2,8 %, при безотвальной на глубину 25-27 см – на 0,14 мг-экв/100 г почвы или на 12,8%.
Изучение изменения кислотных свойств по слоям показало, что вниз по профилю кислотность почвы снижается (таблица 60). Длительное применение различных систем (отвальных и безотвальных) и глубины основнойобра-ботки почвы в севообороте, также не оказало закономерного существенного влияния на изменение кислотности в различных слоях чернозема обыкновенного. Гидролитическая кислотность в слое почвы 0-40 см соответственно по системам обработки почвы составляла 1,01-1,02 мг-экв/100 г почвы при отвальных на глубину 20…25 см и 0,98 и 1,02 при безотвальных, при комбинированной – 0,97 (при НСР05 =0,21) и снижением до 0,82-0,97 мг-экв/100 г почвы при глубоких на 30-35 см отвальных.
Различные способы и системы обработки почвы в севообороте без использования удобрений существенного влияния на изменение буферно-кислотного состояния чернозема обыкновенного не оказывают.
Прослеживаемая тенденция снижения кислотности почвенной среды 0-40 см слоя, а в слое 0-10 и 10-20 см достигающая существенных значений по глубокой отвальной обработки почвы, объясняется особенностью строения почвенного профиля чернозема обыкновенного. Вниз по профилю почвы кислотность почвенной среды снижается. При глубоких отвальных обработках происходит вовлечение в пахотный слой нижележащих горизонтов, имеющих более низкие показатели кислотности.
Применение минеральных удобрений является одним из интенсивных факторов воздействия на почву (Сычев В.Г., 2003; Минеев В.Г., 2004). С одной стороны, в процессе биохимических реакций и биологического окисления аммония азотных удобрений и взаимодействия азотных, фосфорных и калийных солей с ППК в обменных реакциях образуются минеральные кислоты. С другой, многие удобрения обладают так называемой физиологической кислотностью, которая заключается в том, что из удобрений растения в большей степени поглощают катионы, чем анионы, поэтому привнесении удобрений, как правило, происходит подкисление почвенной среды.
Ежегодное применение минеральных удобрений NPК по 60 кг д.в. на гектар(за двадцать пять лет 1500 кг га д.в.) при всех системах обработки почвы обозначило тенденцию к повышению кислотности почвенной среды.
При глубокой отвальной системе обработки почвы в виду значительного снижения кислотности 0-40 см слоя на делянках без применения удобрений отмечается существенное повышение кислотности почвы на делянках с внесением удобрений. Хотя кислотность удобренной почвы по отношению к удобренному контролю повысилась незначительно. Эффект достоверного повышения кислотности почвенной среды больше обеспечивается снижением ее на неудобренном фоне, то есть там наблюдается подщелачивание (раскисление) почвы за счет вовлечения в пахотный горизонт нижележащих слоев, имеющих реакцию почвенного раствора нейтральную или слабощелочную, обусловленную присутствием там кальцийсодержащих соединений.
Ежегодное применение минеральных удобрений при различных системах обработки почвы обуславливает их различное распределение в почвенном профиле, связанное со спецификой формирования обрабатываемого слоя, что более значительно проявилось в изменении кислотных свойств профиля изучаемого слоя (таблица 60, рисунок 33).
Безотвальная разноглубинная система обработки почвы при ежегодном применении минеральных удобрений привела к увеличению гидролитической кислотности в поверхностном слое почвы 0-10 см. Эффект существенного увеличения гидролитической кислотности почвы при таком формировании обрабатываемого слоя, обусловлен повышенной концентрацией минеральных удобрений в поверхностных слоях в виду ежегодного смешивания их с незначительным объемом почвенной массы и меньшей их доступностью для растений при снижении влажности почвы в период вегетации.
Повышение кислотности почвенной среды поверхностного слоя 0-10 см при отвальной глубокой системе обработки почвы в севообороте обусловлено несколько иными причинами, во-первых, значительным снижением кислотности почвенной среды неудобренных делянок за счет вовлечения в пахотный горизонт нижележащих слоев обыкновенного чернозема, имеющих, как правило, реакцию почвенной среды нейтральную или слабощелочную. Во-вторых, снижением интенсивности биохимических процессов в нижних слоях почвы вывернутых на поверхность при обработке.
Таким образом, различные системы обработки почвы без применения удобрений не оказали существенного влияния на буферно-кислотное состояние слоя 0-40 см чернозема обыкновенного. При длительном ежегодном внесении минеральных удобрений в дозе N60P60K60 при безотвальной разноглубинной системе обработки почвы отмечается увеличение гидролитической кислотности в поверхностном 0-10 см слое почвы.
Емкость катионного обмена (ЕКО) является одним из показателей плодородия почвы и играет существенную роль в почвенных процессах, определяя важные физические и физико-химические свойства почвы – ее структурное состояние, реакцию почвенной среды, буферность. Она изменяется под воздействием агротехнических приемов и, особенно при взаимодействии почвы с удобрениями.
Величина емкости катионного обмена характеризует обменную поглотительную способность почвы. Оптимальные параметры емкости катионного обмена способствуют стабильности почвенной среды и повышают устойчивость почвы к влиянию различных неблагоприятных факторов. Наиболее благоприятно сочетание компонентов ППК в черноземах (Орлов Д.С., 1992).
Изучение буферных свойств почвы стационара показало, что за десять лет второй ротации произошло некоторое увеличение емкости катионного обмена, если в начале второй ротации в среднем в почве стационара емкость катионного обмена составляла – 53,1 мг-экв/100 г почвы, то в начале третьей – 63,0мг-экв/100 г почвы увеличилась на 18,6 % (таблица 61).
Микробиологическая активность почвы при различной глубине заделки растительных остатков в обрабатываемом слое
Учитывая ключевую роль органического вещества как источника энергии и питания микроорганизмов и зная, что различное его распределение в обрабатываемом слое при различных способах основной обработки почвы обусловливает нахождение его в различных условиях водно-воздушного режима, в опыте было проведено более детальное изучение влияния различного распределения пожнивных растительных остатков (соломы озимой пшеницы 4 т/га) в обрабатываемом слое на микробиологические процессы в почве.
Результаты исследований, полученные в модельном опыте также свидетельствуют (таблица 104), что профильная активизация зимогенной микрофлоры, соответствует профильному распределению поступающего органического вещества растительных остатков – соломы в обрабатываемом слое почвы. Осенью через месяц после заделки соломы в почву максимальное количество микроорганизмов, участвующих в процессах гумификации было при размещении соломы в слое 7-14 см и равномерном распределении в слое 0-21 см, где отмечалась и наибольшая биогенность почвы. Высокая биоген-ность обрабатываемого слоя так же была и при размещении растительных остатков в слое 0-7 см, но отсутствие поступления свежего органического вещества в разрыхленный обработкой слой почвы приводит к росту численности автохтонной микрофлоры. На этом варианте в структуре микробного ценоза преобладала автохтонная группа микроорганизмов, участвующая в разложении гумусовых веществ (таблица 104).
В дальнейшем на последующих этапах вегетации наиболее активно биологические процессы протекали при заделке и равномерном распределении растительных остатков в слой глубже 7 см и при равномерном распределении растительных остатков в слое 0-21 см
Азотобактер имеет важное значение в повышении плодородия почвы и обогащения ее азотом. В свою очередь он весьма требователен к плодородию. Для его развития необходимы хорошие агрофизические свойства почвы с высоким содержанием органического вещества и элементов минерального питания. Хорошее развитие азотобактера указывает на высокое плодородие почвы (Мишустин Е.Н., 1956; Курбатов И.Н., Вагина Н.С., 1971). Наибольшее заселение почвы азотобактером было при равномерном распределении растительных остатков - соломы озимой пшеницы в слое почвы 0-21 см и в среднем за вегетацию составило 267,7 колоний в 50 г почвы. На этом же варианте отмечалась и наибольшая общая численность микроорганизмов -150,0 млн. КОЕ в 1 г абсолютно сухой почвы (таблица 104). Здесь же отмечалась и наиболее благоприятная структура микробного ценоза для воспроизводства плодородия почвы и обеспечения растений элементами минерального питания.
Таким образом, как убедительно свидетельствуют результаты исследований наиболее благоприятная структура микробного ценоза для воспроизводства плодородия почвы и обеспечения растений минеральными элементами питания в почвенно-климатических условиях юго-востока ЦЧР формируется при равномерном распределении растительных остатков в слое почвы 0-21 и 7-21 см, что происходит при отвальной обработке на глубину 20-22см.
Более детальное изучение биологической активности почвы в течение вегетационного периода в зависимости от распределения органического вещества растительных остатков (4 т/га соломы) в обрабатываемом слое 0-21 см в модельном микрополевом опыте подтвердило наше предположение о определяющем влиянии глубины заделки и сосредоточения растительных остатков в обрабатываемом слое на биологические процессы и плодородие почвы в целом. Так как от глубины размещения органического вещества растительных остатков зависят экологические условия (влажность, температура, аэрация среды сосредоточения свежего органического вещества), определяющие интенсивность и динамику микробиологических процессов в почве, в первую очередь.
Как показали результаты исследований биологическая активность почвы напрямую связана с глубиной заделки и распределением поступающего свежего органического вещества в обрабатываемый слой почвы. В начале вегетационного периода в фазу кущения ячменя при хорошей влажности всех слоев пахотного горизонта и недостатке тепла в нижних слоях почвы интенсивность микробиологических процессов мало зависела от глубины заделки растительных остатков (таблица 105). С нарастанием температуры и снижением влажности верхних слоев почвы интенсивность микробиологических процессов при поверхностном распределении растительных остатков и заделке их в слой почвы 0-7 см снижается, о чем свидетельствует существенное снижение выделения углекислого газа с поверхности почвы в период колошения ячменя. Такая же закономерность сохраняется и до конца летнего периода – до созревания ячменя.
В заключение необходимо отметить, что как показывают результаты исследований многолетнего стационарного опыта, краткосрочных и модельных микрополевых опытов, что увеличение интенсивности микробиологических процессов происходит при заделке свежей органической массы в виде растительных остатков в слой почвы глубже 7 см. А наиболее стабильно и интенсивно в течение вегетационного периода микробиологические процессы в почвенно-климатических условиях юго-востока ЦЧЗ протекали при равномерном распределении основного энергетического материала для развития микроорганизмов - пожнивных растительных остатков в слое почвы 0-21 см.
При вспашке на глубину 20-22 см в почве создается наиболее благоприятный комплекс физических и биологических условий, обеспечивающий высокую биогенность почвы и интенсивный отвод СО2 в атмосферу.
Результаты исследований проведенных в модельных опытах убедительно показали, что различная компоновка обрабатываемого слоя по степени крошения и распределению в нем растительных остатков определяет биологическую активность обрабатываемого-корнеобитаемого слоя и динамику изменения ее в течение вегетационного периода.