CC BY
108
9. Войтович Н.В., Сандухадзе Б.И., Чумаченко И.Н. и др. Плодородие, удобрение, сорт и качество продукции зерновых культур в Нечернозёмной зоне России. - М., 2002. - 196 с.
10. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. - М.: Агропромиздат, 1985. - 351 с.
INFLUENCE OF SYSTEMIC APPLICATION OF FERTILIZERS ON THE HUMUS CONTENT IN THE
ORDINARY CHERNOZEM P.A. Chekmarev, S.V. Obuschenko, N. M. Trots
Summary. The article presents data showing that the use of arable land without the use of fertilizers with straw incorporation into the soil and root-crop residues in the central agro-climatic zone of Samara Volga leads to an annual reduction of humus content in the ordinary chernozem up to 1,075 tons per 1 ha. The application of mineral fertilizers from minimal to intense levels can reduce the loss of humus on 4,8-30,3% and reduce its deficit to 1.2 - 3.6 times, but does not, it totally made up the balance. In order to maintain the equilibrium of balance of humus (in the layer 0-30 cm) at the level of 4.11% in zernoparovyh rotation is additionally required to contribute annually to the soil 8-12 t / ha of manure. Keywords; humus, fertilizer, straw, balance, soil fertility, organic matter.
УДК 631.417:631.5:551.4
ВЛИЯНИЕ ВИДА СЕВООБОРОТА, СИСТЕМЫ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ И ЭКСПОЗИЦИИ СКЛОНА НА ДИНАМИКУ ЭМИССИИ СО2 ИЗ ЧЕРНОЗЕМА ТИПИЧНОГО
Г.Н. ЧЕРКАСОВ, член-корреспондент РАСХН, директор
Н.П. МАСЮТЕНКО, доктор сельскохозяйственных наук, зам. директора
М.Н. МАСЮТЕНКО, аспирант
ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии Рос-сельхозакадемии
E-mail: [email protected]
Резюме. В работе представлены результаты двухлетних исследований эмиссии СО2 из чернозема типичного в многофакторном полевом стационарном опыте, заложенном в 1984 г. Установлены особенности характера и направленности динамики выделения СО2 из почвы в течение мая-сентября в чистом пару, на многолетних травах и озимой пшенице в зависимости от экспозиции склона, вида севооборота и системы обработки почвы. Выявлена прямая тесная связь эмиссии СО2 из почвы с содержанием в ней микробной биомассы (Ккор=0,78), обратная тесная - с твердостью почвы (К = 0,78), прямая средняя - с температурой почвы в диапазоне 15...25 0С (К = 0,57) и влажностью почвы в диапазоне от 10 до 20 % (К = 0,56). Потери С из органического вещества почвы в зависимости от севооборотов различаются в 1,6-2,3 раза, от экспозиции склона - в 1,1-1,5 раза, от системы обработки почвы - в 1,2-1,5 раза. Интенсивность минерализации органического вещества почвы в зернотравяном севообороте ниже, чем в зернопаропропашном, в зависимости от культуры в 2,3-2,5раза на северном склоне, в 1,9-2,1 раза на водораздельном плато, в 1,9-2,0 раза на южном склоне. Предложено использовать коэффициент минерализации органического вещества почвы, рассчитанный на основе определения потери углерода при эмиссии СО2 из органического вещества почвы, для оценки систем земл2еделия и агротехнологий. Ключевые слова: чернозем типичный, выделение СО2, динамика, потоки, потери углерода, интенсивность минер2али-зации, органическое вещество почвы, севооборот, система обработки почвы, экспозиция склона.
Эмиссия диоксида углерода почвами - важное звено круговорота углерода в экосистемах [1]. Диоксид углерода атмосферы примерно на 90 % имеет почвенное происхождение [2]. Углекислый газ, выделяющийся из почв при разложении органических
веществ, поступает в атмосферу, влияя тем самым на глобальный баланс СО2 и экологическое состояние нашей планеты. Выделение эдафоном (совокупностью живых организмов почвы) СО2 в прилегающий к почве слой воздуха называют дыханием почвы. Наблюдения за этим процессом в экосистемах позволяют выявить интенсивность минерализации органического вещества под действием природных и антропогенных факторов, оценить поступление углекислоты в атмосферу.
Интенсивность газообразных потерь углерода из почв агроландшафтов обусловлена, с одной стороны, особенностями агротехники, с другой, экологическими факторами, основные из которых температура и влажность [3]. Углекислый газ, выделенный с поверхности почвы, занятой растительностью, связывается растениями в процессе фотосинтеза, то есть доля его поступления в атмосферу незначительна. По данным [4], тип растительности (землепользования) значительно влияет на величину эмиссии диоксида углерода из почв. Однако выделение СО2 из почвы в агроэкосистемах и потери органического вещества из почвы в зависимости от различных факторов изучены недостаточно [5...8].
Цель наших исследований заключалась в изучении динамики эмиссии СО2 из чернозема типичного в зависимости от экспозиции склона, вида севооборота и системы обработки почвы, определении характера и степени связи почвенных условий с интенсивностью эмиссии СО2 из почв, оценке потоков углекислого газа в атмосферу за вегетационный период и потери углерода из органического вещества почвы.
Условия, материалы и методы. Исследования проводили в 2011-2012 гг. в многофакторном полевом стационарном опыте ВНИИЗиЗПЭ (Медвенский район, Курская обл.), заложенном в 1984 г., в звене зернопаропропашного (чистый пар - озимая пшеница - кукуруза -ячмень) и зернотравяного (клевер - клевер - озимая пшеница - ячмень) севооборотов на водораздельном плато и склонах северной и южной экспозиции при отвальной и безотвальной системах обработки почвы.
Глубина обработки - 20.22 см. В 2011 г. в зернопаропропашном севообороте (ЗППС) был чистый пар, в зернотравяном (ЗТС) - травы, в 2012 г. в обоих севооборотах возделывали озимую пшеницу.
Объект исследований - чернозем типичный тяжелосуглинистый на карбонатном лессовидном суглинке. Содержание гумуса в пахотном слое почвы на южном склоне 4,72.5,05 %, на северном - 5,05.5,38 %, на водораздельном плато - 5,30.5,86 %. Реакция солевой вытяжки на северном склоне и водораздельном плато колеблется от 5,2 до 6,0, а на южном - наблюдается тенденция к подщелачиванию почвы. Сумма поглощённых оснований в почве на южном склоне составляет 29,5.30,1 мг-экв/100 г почвы, что на 10.16 % выше, чем на северном склоне и водораздельном плато. Исследуемые почвы характеризуются средним содержанием подвижного фосфора и калия.
Ежемесячно в течение мая-сентября определяли выделение СО2 из почвы в полевых условиях методом адсорбции в модификации Л.О. Карпачевского [9] с изоляторами; влажность почвы - термостатно-весовым методом [10], температуру почвы - электронными термометрами, твердость почвы - пенетрометром DICKEY-john на глубине 7,5 см в 10-кратной повторности, микробную биомассу в пахотном слое в период максимальной биологической активности - регидра-тационным методом [11]; содержание гумуса - по методу И.В. Тюрина в модификации Б.А. Никитина со спектрофотометрическим окончанием [12].
Потоки выделения СО2 из почвы рассчитывали за день, сутки, декаду, месяц с учетом полученных экспериментальных результатов и ранее проведенных исследований по суточной и подекадной его динамике в опыте. При расчете потерь углерода С из органического вещества почвы учитывали микробное дыхание почвы, составляющее 2/3 от дыхания почвы [3]. В чистом пару эмиссия СО2 из почвы равна микробному дыханию, так как корневого дыхания из-за отсутствия растений не было. Полученные данные обработаны методами математической статистики [13].
Результаты и обсуждение. Исследования показали, что выделение СО2 из чернозема типичного в течение мая-сентября в изучаемые годы изменялось от 1,26 до 8,82 кг/час/га (см. рисунок). Характер динамики эмиссии СО2 из почвы на водораздельном плато идентичен вне зависимости от вида севооборота и обработки почвы. При этом в 2011 г. во всех вариантах опыта она снижалась от мая к июлю, а к сентябрю наблюдалось ее резкое
увеличение. Уровни выделения СО2 из почвы на водораздельном плато в ЗППС (чистый пар) при отвальной и безотвальной обработках близки. Значимые различия отмечены только в отдельные сроки в зависимости от обработки почвы: в мае (в 1,7 раза) и сентябре (в 1,6 раза); а от вида севооборота - в сентябре (в 1,4 раза).
На северном склоне характер и направленность динамики эмиссии СО2 из почвы различаются в зависимости от вида севооборота и обработки почвы. В ЗППС на северном склоне при безотвальной обработке они идентичны таковым на водораздельном плато. Различия заключаются только в уровнях выделения СО2: на северном склоне в летние месяцы они в 1,5-1,9 раза выше. При отвальной обработке эмиссия СО2 из почвы изменяется в течение мая - сентября незначительно (на 2.8 %). В ЗТС при отвальной обработке отмечается снижение выделения СО2 из почвы от мая к сентябрю с 4,62 до 2,52 кг/час/га.
На южном склоне в ЗППС в черном пару независимо от обработки почвы от мая к июню наблюдается некоторое увеличение выделения СО2 из почвы, затем при безотвальной обработке - оно снижается к сентябрю, а при отвальной - остается на прежнем уровне до июля и резко снижается к сентябрю. Характер динамики эмиссии СО2 из почвы в ЗТС идентичен таковому на водораздельном плато.
В 2012 г. на водораздельном плато в ЗППС выделение СО2 из почвы снизилось от мая к сентябрю; на северном склоне - его уменьшение наблюдалось от мая к июню, к июлю отмечено повышение эмиссии, сменяющееся снижением в сентябре, в ЗТС июльский рост продолжился дальнейшим незначительным увеличением. На северном склоне наибольший уровень выделения СО2 из почвы отмечен в ЗППС, значимые различия между обработками проявлялись только в отдельные сроки (в июле). На южном склоне характер выделения СО2 из почвы и его величины идентичны вне зависимости от экспозиции склона, вида севооборота и системы обработки почвы. Эмиссия СО2 из почвы от мая к июню резко повышается, к июлю и сентябрю падает, исключение составляет ЗТС, где с июля до сентября отмечается тенденция к её повышению.
Наибольшее варьирование почвенного дыхание в течение мая-сентября в 2011 г. отмечено на водораздельном плато в ЗППС (коэффициент вариации -42.52 %), а в 2012 г. - на водораздельном плато и южном склоне в обоих севооборотах (коэффициент вариации - 60.74 %).
Рисунок. Эмиссия СО2 из на чернозема типичного в зернопаропропашном и зернотравяном севооборотах в зависимости от местоположения в рельефе: — - ЗПП, отвальная; —— - ЗПП, безотвальная;-ЗТ, отвальная
Таблица. Потоки углекислого газа и потери углерода (микробное дыхание) из чернозема типичного за вегетационный период (май-сентябрь) в зависимости от экспозиции склона, вида севооборота и системы обработки почвы
Расположение на рельефе
Вариант
Потоки СО. из почвы, кг/га
2011 г. I 2012 г.
Потери С из органического вещества почвы, кг/га
2011 г. I 2012 г.
Отношение потерь С из органического вещества почвы к запасам С * в пахотном слое
орг___________________
2011 г.
2012 г.
Северный
склон
Водораз-
дельное
плато
Южный
склон
Отвальная обработка, без удобрений 16607,74
Зернопаропропашной севооборот, безотвальная обработка 14866,90
Зернотравяной севооборот, отвальная обработка 11062,36
Зернопаропропашной севооборот, отвальная обработка 15100,48
Зернопаропропашной севооборот, безотвальная обработка 10584,74
Зернотравяной севооборот, отвальная обработка, без удобрений 13330,30 Зернопаропропашной севооборот, отвальная обработка 11331,13
Зернопаропропашной севооборот, безотвальная обработка 9638,61
Зернотравяной севооборот, отвальная обработка______________10264,42
10728,40 5054,53 3335,99 0,079 0,050
8786,06 4524,86 2986,41 0,069 0,044
7553,50 2222,09 1517,26 0,032 0,022
9417,79 4595,80 3033,23 0,068 0,043
8766,82 3221,45 2126,16 0,052 0,032
7968,88 2845,04 1600,70 0,035 0,020
8195,67 3448,60 2276,08 0,062 0,039
7414,50 2933,49 1936,10 0,042 0,027
6893,72 2060,14 1384,74 0,031 0,021
*Сорг - содержание С в органическом веществе почвы
На основе корреляционного анализа установлена прямая высокая связь эмиссии СО2 из почвы с содержанием в ней микробной биомассы (Ккор=0,78); средняя - с температурой почвы в диапазоне от 15 до 25 0С (Ккор = 0,57) и с влажностью почвы в диапазоне от 10 до 20 % (Кко =0,56); обратная высокая - с твердостью почвы (К =0,78).
' кор ’ '
Потоки СО2 из почвы в мае-сентябре 2011 г. превышали таковые в 2012 г. в 1,2-1,7 раза (см. табл.). Это связано с большей минерализацией органического вещества в почве в 2011 г. в чистом пару. В ЗППС до 2011 г. потоки СО2 из почвы на северном склоне были выше, чем на южном на 47...54 %, а в ЗТС различия между склонами незначимы. Потоки СО2 из почвы в ЗППС больше, чем в ЗТС. Самые высокие различия между величинами этих показателей в зависимости от вида севооборота отмечены на северном склоне (в 1,5 раза). На водораздельном плато и южном склоне они были незначимы (10.13 %). Достоверные различия по величине потоков СО2 из почвы в зависимости от системы обработки почвы отмечены на водораздельном плато, где при отвальной обработке их величина оказалась в
1,4 раза больше, чем при безотвальной.
В 2012 г., как и в 2011 г., общие закономерности сохранялись: на северном склоне потоки СО2 из почвы в мае-сентябре были выше, чем на южном; в ЗППС - больше, чем в ЗТС, хотя возделывали одну и ту же культуру; при отвальной обработке - выше, чем при безотвальной.
Диоксид углерода - один из конечных процессов минерализации органического вещества. Поэтому, зная микробное дыхание почвы, можно оценить потери С из органического вещества вследствие минерализации.
Наибольшие потери углерода из органического вещества почвы отмечены в ЗППС в чистом пару на северном склоне при отвальной обработке в 2011 г. (см. табл.). На южном склоне они были меньше в 1,5 раза, а на водораздельном плато - всего на 12 %. При безотвальной обработке потери С из почвы в чистом пару снижаются на северном склоне на 12 %, на водораздельном плато - на 42 %, а на южном склоне - на 17 %. Таким образом, наибольшее влияние системы обработки почвы выявлено на водораздельном плато в ЗППС.
Различия в потерях углерода из органического вещества почвы отличались в зависимости от фактора воздействия. Больше всего они изменялись от влияния вида севооборота (в 1,6-2,3 раза), меньше - от экспозиции склона (в 1,1-1,5 раза) и системы обработки почвы (в 1,2-1,5 раза). Причем влияние вида севооборота выше на северном склоне, а системы обработки почвы - на водораздельном плато. Влияние вида севооборота на потери С из почвы установлено в оба года. Потери С из почвы в ЗППС больше, чем в ЗТС, на северном склоне в 2,2-2,3 раза, на водораздельном плато - в 1,6-1,9 раз, на южном склоне - в 1,6-1,7 раз в зависимости от года.
Зная размеры потерь углерода из органического вещества можно количественно оценить интенсивность его минерализации. Мы рассчитали отношения потерь к запасам С в органическом веществе (гумус + негумифицированное органическое вещество) пахотного слоя почвы. Такое отношение, характеризующие интенсивность минерализации углерода органического вещества почвы, предлагается назвать коэффициентом минерализации органического вещества почвы. Это интегральный показатель, который служит результирующей величиной интенсивности минерализации гумусовых веществ почвы и негумифицированного органического вещества. В природе указанные процессы трудно разделимы, поэтому для их оценки более целесообразно использовать такой интегральный показатель.
Количественная оценка интенсивности минерализации органического вещества почвы показала, что в 2011 г. в чистом пару в ЗППС она была выше, чем в ЗТС (многолетние травы), на северном склоне - в
2,5 раза; на водораздельном плато - в 1,9 раз, на южном склоне - в 2,0 раза. И в 2012 г., несмотря на то, что в обоих севооборотах возделывали озимую пшеницу, почвозащитная роль ЗТС оставалась выше и больше проявлялась также на северном склоне.
Влияниеэкспозиции склона на интенсивность минерализации органического вещества почвы в 2011 г. выявлено только в ЗППС: на южном склоне она была ниже, чем на северном, при отвальной обработке примерно
на 27 %, при безотвальной - на 64 %. Аналогичные различия отмечали в 2012 г. В ЗТС они отсутствовали в оба года.
Почвозащитная роль безотвальной обработки в сохранении органического вещества почвы в чистом пару больше проявляется на водораздельном плато, и особенно на южном склоне. Интенсивность минерализации органического вещества почвы при использовании этого способа меньше, чем при отвальной обработке, на водораздельном плато - на 31 %, на южном склоне -на 48 %, на северном - на 15 %. В 2012 г. в посевах озимой пшеницы почвозащитная роль безотвальной обработки была достоверной на южном склоне.
Выводы. Характер и направленность динамики выделения СО2 из чернозема типичного в течение мая-сентября на северном и южном склонах отличаются в зависимости от экспозиции склона, вида севооборота, системы обработки почвы, года исследований, а на водораздельном плато только от года исследований и культуры севооборота. Эмиссия СО2 из почвы прямо и тесно связана с содержанием в ней микробной биомассы, средне - с температурой и влажностью почвы, обратно и тесно - с твердостью почвы.
Потоки СО2 из почвы в мае-сентябре 2011 г. на многолетних травах и в чистом пару превышали таковые в 2012 г. в посевах озимой пшеницы в 1,2-1,7 раза. На северном склоне в зернопаропропашном севообороте
они были в 1,5 раза больше, чем в зернотравяном. В зернотравяном севообороте различия на рассматриваемых склонах незначимы. Наименьшие потоки СО2 из почвы отмечены на южном склоне. Различия в потерях углерода из органического вещества почвы от влияния изучаемых факторов падают в ряду: вид севооборота, экспозиция склона, система обработки почвы. Причем, влияние вида севооборота выше на северном склоне, а системы обработки почвы в чистом пару - на водораздельном плато.
Установлено увеличение интенсивности минерализации органического вещества почвы в зернопаропропашном севообороте, по сравнению с зернотравяным, и на северном склоне, по сравнению с южным. Почвозащитная роль безотвальной обработки, которая заключается в сохранении органического вещества почвы в чистом пару, значимо проявляется на водораздельном плато и южном склоне.
В целяхсохранения и рационального использования почвенных ресурсов, поддержания экологического равновесия необходимо изучение эмиссии СО2 из почвы в агроландшафтах и проведение оценки степени экологизации систем земледелия и агротехнологий по их влиянию на интенсивность минерализации органического вещества почвы на основе предложенного коэффициента минерализации органического вещества почвы.
Литература.
1. Ларионова А.А., Розанова Л.Н., Дёмкина Т.С., Евдокимов И.В., Благодатский С.А. Годовая эмиссия СО2 из серых лесных почв Южного Подмосковья// Почвоведение. - 2001. - № 1. - С. 72-80.
2. Кудеяров В.Н., Хакимов Ф.И., Деева Н.Ф., Ильина А.А., Кузнецова Т.В., Тимченко А.В. Эмиссия углекислого газа почвенным покровом России //Почвоведение. - 1995. - № 1. - С.33-43.
3. Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Мякшина Т.Н., Сапронов Д.В. Кудеяров В.Н. Оценка газообразных потерь углерода из почв агроэкосистем Российской Федерации. // Труды IVВсероссийской научной конференции «Гуминовые вещества в биосфере». - Санкт-Петербург, - 2007. С. 54-57.
4. Кудеяров В.Н., Курганова И.Н. Дыхание почв России: анализ базы данных, многолетний мониторинг, общие оценки // Почвоведение. - 2005. - №9. - С.1112-1121.
5. Семенов В.М., Иванникова Л.А., Кузнецова Т.В., Семенова Н.А., Тулина А.С. Минерализуемость органического вещества и углерод-секвестрирующая емкость почв зонального ряда //Почвоведение. - 2008. - № 7. - С. 819-832.
6. Нагорная О.В. Влияние степени антропогенного воздействия на эмиссию СО2 из черноземных почв Курской области // Регион - 2006: стратегия оптимального развития. Матер. междунар. научно-практич. конф. - Харьков, 2006. - С. 236-237.
7. Ларионова А.А., Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Золотарева Б.Н., Евдокимов И.В., Кудеяров В.Н. Эмиссия диоксида углерода в агроэкосистемахС на серых лесных почвах в условиях изменяющегося климата // Почвоведение. - 2010. - № 2. - С. 186-195.
8. Каганов, В.В. Оценка скорости минерализации органического вещества основных типов почв европейской части России при различных температурных режимах // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия Естественные науки. - 2011. - № 15 (110). - Выпуск 16. - С. - 145- 152.
9. Карпачевский Л.О. Методика исследования интенсивности выделения СО2 с поверхности почв//Пестрота почвенного покрова в лесном биогеоценозе. - М.: Изд-во МГУ, 1977. - С.217-224.
10. Вадюнина А.Ф. Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. - М.: Агропромиздат, 1986. - 416 с.
11. Благодатский С.А., Благодатская Е.В., Горбенко А.Ю., Паников Н.А. Регидратационный метод определения микробной биомассы в почве//Почвоведение. - 1987. - № 4. - С. 64-71.
12. Никитин Б.А. Уточнение к методике определения гумуса в почве //Агрохимия. - 1983. - №8. - С.101-106.
13. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). - 5-е изд. доп. и перераб. - М.: Агропромиздат, 1985. - 351с.
INFLUENCE OF A CROP ROTATION TYPE, A TILLAGE SYSTEM AND SLOPE EXPOSURE ON THE DYNAMICS OF CO2 EMISSION FROM A TYPICAL CHERNOZEM SOIL G.N. Cherkassov, N.A. Masyutenko, M.N. Masyutenko
Summary. The paper presents the results of two-year long studies of CO2 emissions from a typical chernozem soil in the multifactor field stationary experiment which was laid out in 1984. Peculiarities of the nature and the directivity of the dynamics of CO2 emission from the soil during May - September in a bare fallow, on perennial grasses and winter wheat depending on a slope exposure, a crop rotation type, and a tillage system have been established. A direct close relationship of CO2 emission from the soil with the content of microbial biomass in it, an inverse close relationship with the soil hardness, a direct average one with the soil temperature and humidity have been revealed. The flows of CO2 to the atmosphere and the carbon loss from the organic matter of the typical chernozem soil for the vegetation period depending on the factors studied have been calculated. The loss of C from the soil organic matter differs depending on the crop rotation 1.6 to 2.3 times, on the slope exposure 1.1 to 1.5 times, on the tillage system 1.2 to 1,5 times. The intensity of the mineralization of the soil organic matter in the grain crops-grass crop rotation is lower 2.3 to 2.5 times on the northern slope, 1.9 to 2.1 times on the watershed plateau, 1.9 to 2.0 times on the southern slope compared with the grain crops - fallow - row crops rotation, depending on the crop in the crop rotation. The coefficient of mineralization of soil organic matter, calculated on the basis of the determination of the carbon loss in the process of CO2 emission from the soil organic matter, is suggested to be used for the estimation of farming systems and agricultural technologies.
Key words: typical chernozem soil, CO2 emission, dynamics, flows, carbon loss, intensity of mineralization, soil organic matter, crop rotation, tillage system, slope exposure.
