ФГБОУ ВО Государственный аграрный университет Северного Зауралья
Причины дегумификации пахотных земель Западной Сибири
Еремина Диана Васильевна,
к.с-х.н., доцент кафедры математики и информатики
г. Тюмень
Аннотация
Интенсивное использование земель Западной Сибири привело к значительному снижению плодородия, которое обусловлено потерей гумуса. Цель исследования - выявление причин дегумификации пахотных земель на основе системного анализа опубликованных научных материалов. В ходе исследований было установлено, что дегумификация пашни вызвана комплексом антропогенных факторов, изменяющих ход современного почвообразования. Выявлено, что выращиваемые зерновые культуры не могут обеспечить достаточное количество пожнивно-корневых остатков для стабилизации гумусового состояния. Запашка соломы дает возможность положительного баланса гумуса, только в случае стабильного получения урожайности зерновых культур от 3,0 до 4,0 т/га и при обязательной запашке. Поверхностная локализация соломы не дает гарантии образования гумуса. Чрезмерное увлечение механическими обработками почвы увеличивает аэрацию пахотного горизонта, тем самым стимулируя микробиоту, которая минерализует гумус и растительные остатки. Для оптимизации системы обработки почвы с целью воспроизводства плодородия требуется чередование вспашки с поверхностными обработками (1 раз в 2-3 года). Использование в севообороте многолетних трав обеспечивает дополнительное количество растительных остатков и улучшает гумусовое состояние. Установлено, что чистые пары в условиях Западной Сибири благоприятно влияют на урожайность следующих за ними культур, но при отсутствии органических удобрений также являются причиной дегумификации пахотных почв. Обоснована замена чистых паров на сидеральный пар, который обеспечивает дополнительное поступление растительных остатков. На основе анализа причин дегумификации предложен комплекс мероприятий агротехнического характера для стабилизации и улучшения гумусового состояния пахотных земель в Западной Сибири.
Ключевые слова: плодородие, почвообразование, чернозем, система обработки, минеральные удобрения, гумификация, растительные остатки, урожайность.
Abstract
Causes of dehumidification of arable land Western Siberia
Eremina Diana Vasilevna
PhD, Associate Professor of the Department of Mathematics and Computer Science State Agrarian University of the Northern Trans-Urals
Russia, Tyumen
Intensive use of the lands of Western Siberia has led to a significant decrease in fertility, which is due to the loss of humus. The purpose of the study is to identify the causes of dehumidification of arable land based on a systematic analysis of published scientific materials. In the course of research, it was found that a complex of anthropogenic factors that change the course of modern soil formation causes the dehumification of arable land. It was revealed that the cultivated crops cannot provide a sufficient amount of crop-root residues to stabilize the humus state. Plowing straw makes it possible to have a positive balance of humus, only in the case of stable grain yields from 3.0 to 4.0 t / ha and with mandatory plowing. The surface localization of straw does not guarantee the formation of humus. Excessive fascination with mechanical tillage increases the aeration of the arable horizon, thereby stimulating the microbiota, which mineralizes humus and plant residues. To optimize the tillage system in order to reproduce fertility, alternation of plowing with surface treatments is required (1 time every 2-3 years). The use of perennial grasses in crop rotation provides an additional amount of plant residues and improves the humus state. It was found that pure vapors in the conditions of Western Siberia favorably affect the yield of crops following them, but in the absence of organic fertilizers are also the cause of dehumidification of arable soils. The replacement of pure vapors with sideral steam, which provides additional intake of plant residues, is justified. Based on the analysis of the causes of dehumification, a set of agrotechnical measures is proposed to stabilize and improve the humus state of arable lands in Western Siberia.
Keywords: fertility, soil formation, chernozem, processing system, mineral fertilizers, humification, plant residues, yield.
Основная часть
Почвенный покров Западной Сибири достаточно сложный и характеризуется высокой комплексностью. На поле средних размеров (до 100 га) можно встретить до 2-4 типов почв или 3-4 подтипа, не говоря уже о видах и разновидностях [1, 2, 3]. Поэтому плодородие элементарных участков существенно варьирует, что приводит к неоднородной урожайности сельскохозяйственных культур. Несмотря на почвенную неоднородность полей, аграрии столкнулись с очень серьезной проблемой, которую не могут решить до настоящего времени. Речь идет об ухудшении плодородия практически всех почв, вовлеченных в пахотный фонд. Данная проблема не является какой-то особенностью конкретного поля, а охватывает территорию сельскохозяйственных угодий всей планеты. Поэтому нельзя утверждать, что причиной снижения является глобальное изменение климата. Анализ научной литературы показал, что проблема ухудшения пашни существует повсеместно на территории всей Российской Федерации [4, 5, 6]. Ученые и специалисты агрохимической службы считают, что глобальное снижение плодородия пашни связано с ухудшением ее гумусового состояния [8, 9]. Однако, причины потери гумуса и ухудшения его качества довольно разнообразны.
Целью наших исследований является компиляция данных агропочвоведов, агрохимиков и земледелов с последующим системным анализом причин дегумификации пахотных почв.
Общая площадь Западной Сибири примерно 2,45 млн км2, что составляет 14% от территории Российской Федерации. Она поделена на пять природно-климатических зон: тундровую; лесотундровую; таежную; лесостепную и степную. Две последних являются сельскохозяйственными зонами, а таежная - определяется как территория перспективная для сельского хозяйства.
Почвенно-климатические условия Западной Сибири существенно отличаются от регионов, находящихся на той же географической широте. К особенностям можно отнести относительно короткое лето, погода которого меняется в широком диапазоне. Лето бывает, как очень жарким (2021 год) - в Тюмени была зафиксирована температура воздуха +46 оС, а количество осадков за вегетацию составило 60% от многолетних значений, так и аномально холодным - 2013 год. В Новосибирске было зафиксировано 3 июля -2 оС. Столь широкий диапазон погодных условий отражается на почвообразовании и современный почвенный покров характеризуется сильным проявлением комплексности и неоднородности на небольшой территории. Это стало причиной внутрипольной неоднородности, что затрудняет определиться с системой выращивания сельскохозяйственных культур. Несмотря на разнообразие почвенно-климатических условий, проблема тотальной дегумификации почв, вовлеченных в сельскохозяйственный оборот в последние десятилетия, стала наиболее актуальной для человечества.
В основе исследований лежат опубликованные в открытых источниках данные по динамике гумусового состояния на территории Российской Федерации. Выявление причин потери гумуса проводили на основе современных знаний агрофизики, химии и почвенной микробиологии. Приоритет был отдан публикациям, где приводятся данные по долговременным стационарным опытам, чей временной промежуток охватывает не менее 15 лет.
Использование почв в пашне неминуемо приводит к изменению естественного почвообразовательного процесса. Это выражается, прежде всего, изменением поступления растительных остатков в верхние слои почвы. Как показали исследования О.А. Шаховой, корневая система зерновых культур значительно меньше по сравнению с многолетней травянистой растительностью, которая растет на целине [10]. Кроме того, корневая система зерновых культур в Западной Сибири почти вся находится в пахотном слое 0-30 см, тогда как на целине корни трав проникают вплоть до глубины 100 см [11]. Причиной является глубокое сезонное промерзание и медленное оттаивание в первой половине лета, обеспечивающее температуру почвы глубже 50 см, близкой к +3…+5 оС [12, 13]. В среднем, корневая биомасса яровой пшеницы составляет 1,2-1,4 т/га (воздушно-сухое состояние); люцерны на 3 год жизни - 3,5-4,2 т/га. Биомасса многолетней травянистой растительности на целине (чернозем выщелоченный) как минимум в 3 раза больше люцерны и 8-10 раз - массы корневой системы яровых зерновых. Поэтому нельзя считать, что корни зерновых культур способны обеспечить почву органическим веществом в той же мере, что и многолетние травянистые растения. Из сельскохозяйственных культур только люцерна или смеси многолетних трав, в состав которых она входит, могут дать достаточное количество растительных остатков, но и то только на 5-6 год произрастания.
Наличие пожнивно-корневых остатков и запашка соломы увеличивают запахиваемую биомассу до уровня поступления растительных остатков на целине. Однако основная часть сельскохозяйственных предприятий предпочитает собрать солому и вывезти ее с поля для последующей продажи. Некоторые хозяйства измельчают солому и разбрасывают на поверхности поля, при этом используют безотвальную или минимальную обработку почвы. В таком случае не приходится рассчитывать на гумификацию соломы, которая в условиях гумидной зоны будет разлагаться до диоксида углерода и других летучих соединений [14, 15]. Учеными Государственного аграрного университета Северного Зауралья было установлено, что при урожайности зерновых культур от 3,0 до 4,0 т/га на поле остаются растительные остатки, в том числе и соломы, которых достаточно для стабилизации гумусового состояния пахотных черноземов. При меньшей урожайности - солома и пожнивно-корневые остатки не могут компенсировать минерализацию гумусовых веществ. Наиболее интересный полевой опыт был проведен кафедрой почвоведения и агрохимии того же университета. На протяжении 25 лет в зернопаровом севообороте (однолетние травы - яровая пшеница - овес) под зерновые культуры вносили удобрения из расчета на планируемую урожайность до 6,0 т/га зерна. Было установлено, что несмотря на возросшую запахиваемую биомассу (солома и пожнивно-корневые остатки) содержание гумуса в черноземе достоверно уменьшилось. Причиной была почвенная микрофлора, активность которой увеличилась более чем 2 раза под действием удобрений. Таким образом было доказано, что создание высокого агрофона (на урожайность 5,0 т/га и более) требует дополнительного внесения органических удобрений, для компенсации очень высокой микробиологической активности.
С развитием рыночной экономики, аграрии отказались от научного чередования сельскохозяйственных культур, перейдя на выращивание только тех, которые имеют на рынке высокий спрос. Для увеличения урожаев они стали использовать чистые пары, эффективность общепризнана. Как показали исследования Н.В. Перфильева, по накоплению питательных веществ и воды чистый пар является лидером [16]. Однако, нужно помнить, что при отсутствии растительности в течении вегетационного периода, поступления растительных остатков не происходит, тогда как минерализация гумусовых веществ идет в максимальной степени [17, 18]. Внесение органических удобрений в паровое поле с последующей запашкой дает возможность стабилизировать гумусовое состояние, однако, узкая специализация современных хозяйств и нежелание тратить денежные средства, способствуют минерализации гумуса в пахотных почвах. Современные аграрии, которые сделали главным критерием экономическую эффективность, «забыли» о главных принципах агрохимии и земледелия. Это привело к тому, что такие аграрии используют почвенные запасы питательных веществ, сосредоточенные в гумусе, путем его деструкции микробиотой. Лишь немногие хозяйства используют паровое поле по назначению - борьба с сорняками и болезнями; запашка органических удобрений и мелиорантов.
Учеными также было доказано, что для гумификации важную роль играет локализация растительных остатков. Для гумификации важно поддержание анаэробных условий в зоне их трансформации. На поверхности почвы этого добиться невозможно, поэтому мы не встречаем в природе плодородных земель под лесами. Именно в них можно встретить накопление лесного опада (растительные остатки) в количестве гораздо большем, чем на поле остается соломы и пожнивно-корневых остатков. Поэтому для гумификации требуется запашка. Это является и научным обоснованием того, что безотвальная обработка (глубокая или мелкая) должна чередоваться с вспашкой. Оптимальные условия для гумификации создаются при отвальной обработка паров, где происходит заделка органических удобрений, а под зерновые культуры - безотвальное рыхление или даже полный отказ от механической обработки почвы.
Помимо изменения количества поступающих растительных остатков в пахотный слой, ежегодные обработки кардинально изменяют аэрацию и концентрацию кислорода в почвенном профиле. Это приводит к активизации аэробной микробиоты, которая отвечает за минерализацию органического вещества [19]. С агрономической точки зрения это положительный фактор, поскольку содержание доступных растениям питательных веществ находится в прямой зависимости и очень тесно коррелирует с биологической активностью почвы [20]. Однако, высокая аэрация, обусловленная излишне рыхлым сложением пахотного горизонта, приводит к угнетению анаэробной микробиоты, которая участвует в гумификации растительных остатков. В таком случае возникает парадоксальная ситуация: больше пашем - выше урожай, но меньше гумуса. Ситуацию усугубляют и азотные минеральные удобрения - они оказывают мощное стимулирующее действие на почвенных аэробов и усиливают процесс минерализации [21,22].
Интенсивность деструкции гумуса на фоне высокой аэрации уменьшается с уменьшением влажности в теплый период года (с апреля по октябрь). Это подтверждают исследователи Центрального черноземного района РФ. Однако, для Западной Сибири засушливые года бывают существенно реже, чем в Европейской части. Искусственно уменьшить степень увлажнения, не снижая продуктивность пашни возможно только при введении в севообороты промежуточных культур для сидерации или зеленого корма, а также многолетних трав в выводных полях.
Относительно недавно был установлен еще один фактор, уменьшающий запасы гумуса, кроме его минерализации. Потери гумуса обусловлены его вымыванием за пределы пахотного горизонта. Такие потери отмечались на орошаемых полях, а в природе - на солонцовых почвах, солонцах и содовых солончаках. За десятилетия поливов почвы профиль почвы приобретал признаки эродированности по всему профилю [23]. На полях, где полив отсутствует, вымывания гумуса происходить не должно. Однако, в условиях Западной Сибири потеря гумусовых веществ была установлена. Вымыванию подвергаются не весь гумус, а только его водорастворимая часть [24]. Доля вымывающихся гумусовых веществ не превышает двух процентов, однако это самая ценная часть гумуса. По фракционно-групповому составу она относится к свободным гуминовым кислотам, то есть к так называемой фракции «молодого гумуса».