CC BY
45
УДК 631.87+631.417.2
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛОМЫ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ГУМУСНОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВ
Т. Б. Лебедева, М. В. Арефьева, А. Н. Арефьев
ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА», г. Пенза
В условиях лабораторного и полевого опытов на черноземе выщелоченном изучены источники поступления органического вещества в почву. Определены направленность и характер трансформации соломы при различной глубине ее заделки в почву. Дана оценка применения различных видов органических удобрений на параметры лабильной части органического вещества почвы.
Длительное сельскохозяйственное использование земель при дефиците техногенных средств поддержания плодородия приводит, в первую очередь, к снижению содержания гумуса в почве. Одним из реальных путей выхода из сложившейся ситуации является использование органического вещества биомелиорантов (соломы, сидератов, поукосных и пожнивных культур и др.).
Действие фитомелиорантов на почву связано, в первую очередь, с увеличением поступления органического вещества, необходимого для гумусообразования. В биоклиматических условиях правобережной лесостепи Среднего Поволжья образование гумуса представляет собой сложный многоступенчатый процесс превращения веществ растительного происхождения, сопровождающийся образованием новых, гумусовых соединений специфической природы.
Образование гумусовых кислот и их закрепление во многом определяется количеством и качеством растительного материала, поступающего в почву, гидротермическим режимом, реакцией среды, окислительно-восстановительными условиями, биологической активностью, гранулометрическим составом и свойствами минеральной части почвы.
Поэтому нами была предпринята попытка проанализировать поступление и характер трансформации органического вещества в процессе функционирования антропогенно измененных экосистем.
Растительное вещество, прежде чем попасть в почву, синтезируется в процессе создания первичной продукции. Она явля-
ется основным и наиболее важным звеном биологического круговорота зольных элементов, и от ее величины зависят интенсивность потоков углерода и азота в биосфере, продуктивность и рациональное использование биологических ресурсов [6, 7].
Большинство исследователей [5, 2, 1] оценивают поступление растительного вещества в агроценозах по пожнивно-кор-невым остаткам (ПКО). Количество и качество последних зависит от многих факторов: природных условий зоны, типа почвы и ее свойств, вида севооборотов, биологических особенностей культур и технологий их возделывания.
Изучение поступления пожнивно-корне-вых остатков в почву при возделывании сельскохозяйственных культур на черноземе выщелоченном в зернопропашном севообороте Пензенской области показало, что наибольшее количество ПКО в среднем за три ротации поступало от зерновых культур, значительно меньше - от пропашных (табл. 1).
Таблица 1
Поступление пожнивно-корневых остатков, т/га сухого вещества (третья ротация)
Фон Вариант опыта Кукуруза Горох Озимая пшеница На 1 га в год
Сао Без удобрения -контроль 3,20 2,41 4,35 3,32
Навоз 3,49 2,57 4,59 3,55
ИРК 3,60 2,75 4,82 3,72
ИРК+сидерат 3,62 2,78 4,76 3,72
Са1,о 1992 г Без удобрения 3,24 2,46 4,45 3,38
Навоз 3,66 2,63 4,73 3,67
ИРК 3,67 2,77 4,83 3,76
ИРК+сидерат 3,69 2,80 4,82 3,77
Са1,о 2002 г Без удобрения 3,37 2,59 4,47 3,48
Навоз 3,71 2,96 4,75 3,81
ИРК 3,74 2,87 5,04 3,88
ИРК+сидерат 3,85 2,90 5,03 3,93
Сао,75 повторно Без удобрения 3,42 2,69 4,61 3,57
Навоз 3,86 3,10 4,98 3,98
ИРК 3,88 3,12 5,10 4,03
ИРК+сидерат 3,94 3,17 5,08 4,06
Примечание. На всех вариантах опыта заделывалась побочная продукция урожая (солома, ботва, листья)
На поступление пожнивно-корневых остатков в почву наибольшее влияние оказывают удобрения. Навоз в дозе 8 т/га севооборотной пашни увеличивает выход ПКО на 8,4...11,5 %, доломитовая мука -на 9,6.31,3 %, минеральные удобрения -на 5,1.14,4 %, пожнивный сидерат - на
0,8...10,0 %. Вместе с тем величина запасов растительного вещества ПКО на период уборки не отражает динамики процессов, которая характеризуется первичной продукцией. Чистая первичная продукция превышает ПКО [4].
Кроме ПКО в почву заделывалась биомасса всей побочной продукции (солома, ботва, листья). Всего органического вещества в сухой массе за тринадцать лет в почву поступало 61,09.97,24 т, или от 4,70 до 7,48 т/га в год (табл. 2).
В полевом стационарном опыте редька масличная, выращенная после уборки озимой пшеницы, давала 22,7.21,9 т/га сырой биологической массы, или 4,62.3,48 т/га сухого вещества.
Таблица 2
Общее количество органического вещества, внесенного в почву зернопропашного севооборота, т/га сухого вещества (третья ротация)
Примечание. На всех вариантах опыта заделывалась побочная продукция урожая (солома, ботва, листья)
Доломитовая мука увеличивала поступление органической массы на 6,8.20,9 %, навоз - на 42,2.49,6 %, минеральные удобрения - на 11,8.16,1 %, пожнивный сидерат - на 0,5.16,3 %.
Зависимость поступления соломы (у) от урожайности (х) зерна озимой пшеницы и гороха описывалась следующими уравнениями регрессии:
у = -0,234 + 0,366х - 0,225 х2 + 0,221 х3 (г2 = 0,999) - для пшеницы;
у = 1,624 - 1,253х + 1,639 х2 - 1,647х3 (г2 = 0,999) - для гороха.
Источники органического вещества в агроценозах значительно различаются по биохимическому составу. Наибольшим количеством легкометаболизируемых компонентов характеризуется солома гороха, меньшим - биомасса капустных культур, солома озимых и яровых зерновых, а также остатки кукурузы.
Состав спелой соломы зерновых культур, используемой в опытах, характеризовался высоким содержанием безазотистых веществ (целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин) - от 73,0 до 80,5 %, довольно низким содержанием белка и минеральных веществ; широким соотношением С: Ы, которое определяет скорость биохимического разложения органического вещества.
По содержанию трудноразлагаемых соединений виды соломы в убывающем порядке можно расположить в следующий ряд: озимая рожь (80,5 %) - яровая пшеница (77,3 %) - овес (75,1 %) - ячмень (73,0 %). Наибольшее количество углерода отмечено в соломе озимой ржи, наименьшее - в соломе овса и ячменя. По содержанию питательных веществ овсяная солома превосходила остальные виды.
Большую роль в процессах трансформации свежего органического вещества играет характер связи между легко- и труднодоступными для микроорганизмов биохимическими компонентами, входящими в состав органических мелиорантов. Например, клетчатка, связанная с лигнином, разлагается значительно медленнее, чем клетчатка, находящаяся в свободном состоянии. Значительно снижается интенсивность разложения органических веществ, если в состав их входят бактерицидные вещества типа танинов, терпенов и смол, токсичных для многих микроорганизмов. Чем шире отношение С: Ы, тем медленнее протекает разложение органического вещества и его гумификация, а чем уже - интенсивнее. Наиболее энергичное разложение соломы идет при С: N = 20-30:1. При более широком отношении в первое время может происходить связывание минеральных форм почвенного азота.
Органическое вещество растительного происхождения, поступая в почву, подвергается интенсивной трансформации под действием почвенной биоты. Скорость и специфика деструкционных процессов зависят от многих факторов, важнейшими из которых являются: химический состав разлагаемого органического субстрата, особенности почвенных и климатических условий, состав и специфика метаболизма
Фон Варианты опыта ПКО солома навоз всего на 1 га
Сао Без удобрения -контроль 3,32 1,96 - 5,28
Навоз 3,55 2,08 1,82 7,45
ИРК 3,72 2,19 - 5,91
ИРК+сидерат 3,72 2,18 - 5,90
Са1,о 1992 г. Без удобрения 3,38 2,00 - 5,38
Навоз 3,67 2,14 1,82 7,63
ИРК 3,76 2,20 - 5,96
ИРК+сидерат 3,77 2,20 - 5,97
Са1,о 2002 г. Без удобрения 3,48 2,04 - 5,52
Навоз 3,81 2,22 1,82 7,85
ИРК 3,88 2,29 - 6,17
ИРК+сидерат 3,93 2,30 - 6,23
Сао,75 повторно Без удобрения 3,57 2,11 - 5,68
Навоз 3,98 2,32 1,82 8,12
ИРК 4,03 2,37 - 6,40
ИРК+сидерат 4,06 2,37 - 6,43
микробных ассоциаций, характер антропогенных нагрузок на почву и др.
Результаты лабораторного опыта, заложенного в оптимальных гидротермических условиях, показали, что солома сельскохозяйственных культур через 30 дней после ее заделки разлагалась в слое 0-10 см на 39,6...60,8 %, в слое 0-20 см - на 14,2...24,2 %, а при использовании ее в качестве мульчи - на 19,6.37,5 %.
По прошествии 210 дней компостирования разложение в слое 0-10 см составило 70,8.79,2 %, в слое 0-20 см - 75,0.87,5 %, при мульчировании - 60,8.70,8 %. Увеличение темпов разложения при заделке в слой 0-20 см в последующие периоды компостирования, возможно, обусловлено большим количеством микроорганизмов, приходящихся на единицу разлагающейся массы соломы.
Полученные данные исследований свидетельствуют о том, что овсяная и ячменная солома легче поддаются разложению, чем пшеничная и ржаная, на протяжении всего периода компостирования независимо от глубины внесения. Так, через 30 дней после заделки овсяной соломы в слой почвы 0-10 см степень ее разложения была больше ржаной на 15,0 %, через 210 дней - на 8,4, через 362 дня - на 10,3, через 728 дней - на 8 %; при заделке в слой почвы 020 см - на 8,7, 12,5, 10,2 и 5,7 % соответственно.
К концу периода проведения эксперимента потери массы всех видов соломы сравниваются. Разница по глубинам не превышает 17,8 %. Трансформация органических остатков в почвах завершается в той или иной мере формированием новообразованных групп гумусовых соединений, входящих в состав лабильных.
Исследования показали, что внесение в почву соломы зерновых культур способствовало увеличению содержания легко-разлагаемого органического вещества (ЛОВ). Максимальный прирост СЛОв (79 % к исходному) был отмечен при заделке соломы в слой 0-10 см через 210 дней ее компостирования. В последующие периоды наблюдений происходило снижение количества СЛОВ, и на 728 день его содержание приблизилось к исходному.
Аналогичная динамика изменений содержания углерода легкоразлагаемого органического вещества отмечалась и на варианте с ячменной соломой.
При использовании соломы озимой ржи и яровой пшеницы наибольший прирост СЛОВ наблюдался к 362 дню и был больше исходного в слое почвы 0-10 см на
0,152.0,157 %, в слое 0-20 см - на 0,158.0,164, при мульчировании - на 0,100.0,105 %. В дальнейшем динамика изменения СЛОВ однотипна по всем видам соломы. Это, по-видимому, связано, с одной стороны, с минерализацией органических веществ до конечных продуктов - минеральных соединений, с другой - с включением СЛОВ в систему высокомолекулярных продуктов, являющихся исходным материалом для синтеза консервативных гумусовых веществ.
Обычно трансформация свежего органического вещества и синтез гумуса сопровождаются новообразованием и накоплением в почвах водорастворимых органических веществ (ВОВ) кислой природы. Это объясняется, прежде всего, крайне низкой способностью микроорганизмов ассимилировать углерод, представленный в форме карбоксильных групп.
Процесс мобилизации ВОВ характеризуется высокими интенсивностью и стадийностью. Трансформация новообразованных групп ВОВ идет по пути частичной минерализации до конечных элементарных продуктов (воды, газов и минеральных солей), а также включения в сложные реакции формирования собственно гумусовых соединений. Часть ВОВ участвует в водной миграции продуктов почвообразования, синтезе комплексных металлоорга-нических соединений, обновлении педо-генного органического вещества почвы и т. д. [3].
В наших исследованиях содержание углерода водорастворимого гумуса уже через 30 дней компостирования соломы в слое 0-10 см составило 120.150 мг/кг почвы, при 110 мг/кг на контроле (рис. 1).
Максимальное содержание Свов наблюдалось через 210 суток после внесения в почву удобрения, в последующие сроки происходило его снижение.
По истечении 728 суток компостирования содержание водорастворимого гумуса находилось на уровне контроля и было меньше, чем перед закладкой опыта.
Динамика содержания водорастворимого гумуса при отсутствии поступления в почву источников гумусообразования характеризуется постепенным снижением.
Динамика содержания ВОВ для всех видов соломы однотипна, и зависимость содержания ВОВ в почве от глубины заделки соломы описывалась следующими уравнениями регрессии (табл. 3).
Следующий по трансформационной способности фонд органического вещества, извлекаемый с помощью химических вытя-
210 -г
30 210 362
продолжительность компостирования, сутки
728
■ овес 0 см
■овес 0-10 см
■овес 0-20 см
- ■ рожь 0 см
■ - ■ рожь 0-10 см
- - * - ■ рожь 0-20 см
Рис. 1. Динамика содержания СВОВ при компостировании соломы
жек, можно условно определить как лабильные гумусовые вещества. К ним могут быть отнесены относительно «молодые формы» гумуса, которые непрочно связаны с минеральной частью почвы, содержат повышенное количество азота, способны относительно быстро трансформироваться и высвобождать азот для растений.
Результаты исследований показали, что максимальное количество лабильных гумусовых кислот (ЛГК) в варианте с овсяной и ячменной соломой отмечалось на 210 сутки, а с ржаной и пшеничной - на 360 сутки, что мы связываем с особенностями их химического состава. По окончании срока компостирования соломы содержание СЛГК было меньшим, чем в начале опыта, но большим, чем на контроле.
Накопление в почве лабильных гумусовых кислот наиболее активно происходило при заделке соломы в слой 0-10 см, далее при мульчировании (0-3 см) и меньшее - в слой 0-20 см.
Таким образом, разложение соломы зерновых культур без дополнительного внесения азотных удобрений в оптимальных условиях температуры и увлажнения приводит к достаточно быстрому образованию лабильных гумусовых веществ, являющихся источником питания растений и фактором восстановления утраченной структуры почвы.
Динамика минерализации соломы как в оптимальных, так и полевых условиях однотипна, но потеря массы в естественных условиях во все сроки наблюдений и
Таблица3
Зависимость содержания СВОВ от продолжительности компостирования при разной глубине заделки соломы
0
Для слоя Уравнение регрессии ГС
Овсяная солома
мульча - 0-3 см У=84,163 + 1,0387х - 0,0029х2 + 0,000002х3 0,992
0-10 см У=107,805 + 0,5495х - 0,0016х2 + 0,000001х3 0,997
0-20 см У=101,123 + 0,8710х - 0,0024х2 + 0,000002х3 0,996
Ржаная солома
мульча - 0-3 см У=81,485 + 0,7156х - 0,0019х2 + 0,000001х3 0,965
0-10 см У=109,287 + 0,4271х - 0,0013х2 + 0,000001х3 0,998
0-20 см У=96,513 + 0,7129х - 0,0019х2 + 0,000001х3 0,968
У - содержание Свов, мг/кг почвы; х - продолжительность компостирования
на всех глубинах количественно была меньше.
На скорость минерализации органического вещества существенное влияние оказывал биохимический состав биомелиорантов и, в первую очередь, отношение С: N.
Кинетика трансформации органического вещества в значительной мере определялась складывающимися погодными условиями. В июле - октябре как 2003 года, так и 2004 сложились благоприятные условия для минерализации органического вещества. Количество осадков, выпавших за этот период, было больше нормы. Средняя же температура была близка к среднемноголетней. В эти месяцы (через 120 дней после закладки) в 2003 году убыль свежего органического вещества соломы - 40,3...52,3 %; в 2004 году -41,3...52,0 % соответственно.
Наибольшая потеря органической массы по сравнению с исходной в среднем за два года исследований наблюдалась в конце эксперимента (через 360 дней) при заделке биомелиорантов в слой почвы 0-10 см: соломы ржаной - 55,3.58,5, соломы овсяной - 64,2.65,4, соломы ржаной с сидера-тами - 58,2.62,3, соломы овсяной с сиде-ратами - 67,9.70,3 % (рис. 2).
срок разложения, сутки
-овсяная солома
......ржаная солома
Рис. 2. Динамика разложения свежего органического вещества в слое почвы 0-10 см
Изучение трансформации органического углерода проводилось в образцах почвы и компостов до закладки на компостирование в естественных полевых условиях, а также через 60, 120 и 360 суток.
При анализе исходной почвы (в 20032004 гг.) было установлено, что общее
содержание углерода составляло в слое 0-10 см - 3,880.3,882±0,012 %, 10-20 см
- 3,662.3,664±0,014 %, 20-30 см -3,514.3,517±0,010 %, а доля подвижных гумусовых кислот- 9,6 - 9,65 % от общего углерода.
При компостировании почвы с растительной массой изменения в содержании углерода зависели от химического состава растительных добавок.
Таким образом, при компостировании почвы с растительными добавками как в оптимальных, так и естественных полевых условиях увеличивается содержание как общего углерода гумуса, так и углерода лабильных «молодых» гумусовых соединений, являющихся резервным источником питания растений и почвенной биоты.
Литература
1. Боинчан, Б. П. Севооборот и воспроизводство плодородия пахотных интенсивно используемых черноземов республики Молдова: автореферат дис. . д-ра с.-х. наук / Б. П. Боинчан. - М, 1998. - 48 с.
2. Ганжара, Н. Ф. Гумусообразование и агрономическая оценка органического вещества почв / Н. Ф. Ганжара, Б. А. Борисов.
- М.: Бизнес-центр «Агроконсалт», 1997. -82 с.
3. Кауричев, И. С. Теория и практика метода сорбционных лизиметров в экологических исследованиях / И. С. Кауричев, И. М. Яшин, В. А. Черников. - М.: Изд-во МСХА, 1996. - 144 с.
4. Надежкин, С. М. Органическое вещество почв лесостепи Приволжской возвышенности и пути его регулирования / Под ред. А. П. Щербакова. - Пенза: ВЦ ПГСХА, 1999. - 238 с.
5. Сидоров, М. И., Роль негумифициро-ванных растительных остатков почвы в земледелии / М. И. Сидоров, Н. И. Зезюков // Вестник с.-х. науки. - 1981. - № 11. -С. 78-84.
6. Титлянова, А. А., Биологический круговорот углерода в травяных экосистемах / А. А. Титлянова, Н. А. Тихомирова // Проблемы сибирского почвоведения. - Новосибирск: Наука, 1982. - 185 с.
7. Чупрова, В. В. Углерод и азот в агро-экосистемах Средней Сибири / В. В. Чуп-рова. - Красноярск: Красноярский гос. ун-т, 1997. - 166 с.
