Изменение физического состояния дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы при её интенсивном и многолетнем сельскохозяйственном использовании

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Физические свойства почв и связанные с ними режимы (водный, тепловой, воздушный) оказывают существенное влияние на почвенное плодородие, рост и развитие растений. Они постоянно меняются под действием как природных, так и антропогенных факторов [1].

Физико-механические свойства почв оказывают влияние на рост корней растений, глубину их проникновения, появление всходов. На технологические свойства почв существенно влияют влажность, гранулометрический состав почвы, ее структура, а также сопротивление пенетрации. При сильном переуплотнении нарушается структурное состояние почвы, подавляются микробиологические процессы, что, в конечном счете, может приводить к снижению урожая [2].

Твердость почвы зависит от её влажности, структурного состояния и гранулометрического состава. При иссушении почвы твердость увеличивается, корни и всходы растений испытывают большое сопротивление почвы. Оптимальная твердость почвы для разных сельскохозяйственных культур различна, но для зерновых колосовых культур она всегда выше (1,4-1,6 МПа), чем для пропашных (0,5-0,6 МПа), в частности, картофеля.

Считается, что при возделывании картофеля твердость почвы не достигает высоких значений ввиду того, что в течение вегетационного периода она рыхлится, накапливает и удерживает влагу. Однако выращивание этой культуры бессменно приводит к разрушению почвенной структуры и ведет к снижению защитной способности почв. Поэтому при посадке картофеля принято вносить в почву повышенные дозы органических удобрений для восстановления запасов гумуса и структуры почвы. При бессменном выращивании зерновых культур принято считать, что на физические свойства почвы наиболее благоприятное воздействие оказывают озимые культуры, что обусловлено их более длительным вегетационным периодом, лучшим развитием и большой массой корневой системы. В осенний и весенний периоды озимые культуры скрепляют почву своей корневой системой и предохраняют ее от разрушения атмосферными осадками и талыми водами [3].

Получение и накопление информации о состоянии почвенного покрова дает возможность анализировать и управлять процессами, т.е. оптимизировать условия жизни растений, почвенной биоты, сохранности и повышения устойчивости агроценозов. Современная наука и производство требуют именно изучения агрофизических свойств и процессов в почвенном покрове, так как на сегодняшний день ясно, что нельзя управлять отдельно взятой почвой или посевом, не зная физических закономерностей почвенного покрова в целом [4].

Длительное возделывание сельскохозяйственных растений бессменно или в севообороте на легкосуглинистой дерново-подзолистой почве, по нашему мнению, оказывает неравнозначное действие на физико-механические и технологические свойства почвы.

Отсюда основной целью исследования явилось пространственное изучение сопротивления пенетрации и влажности почвы в агроландшафте Длительного опыта при возделывании культур бессменно и в севообороте, а также с учетом различных фонов питания растений.

Длительный опыт ТСХА расположен на территории полевой опытной станции РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева в Москве (рис. 1). Координаты опыта - 55?50?25? СШ и 37?33?29? ВД.

Рис. 1. Длительный полевой опыт РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева

Исследования проводились в 2013-2014 годах в длительном многофакторном полевом опыте кафедры земледелия и методики опытного дела РГАУ-МСХА им. К.А.Тимирязева, заложенном в 1912 году профессором А.Г. Дояренко [5].

Почвенный покров выбранных для исследования участков (122, 123 - поля бессменных посевов, 132 - поле севооборота) представлен агродерново-подзолистыми легкосуглинистыми почвами на моренных валунных отложениях, на которых представлены культуры с различными вариантами удобрений (навоз, NPK, NPK+навоз), выращиваемые бессменно и в севообороте, как с внесением извести, так и без неё.

Почвенный слой глубиной 0-20 см характеризуется как серый (10YR 4/3) во влажном состоянии и светло-серый (10YR 7/2) в сухом. Верхняя часть горизонта - до 20 см однородна по окраске или включает редкие мелкие светлые и бурые пятна припаханного материала (гор. BEL). Структура - комковато-глыбистая непрочная, с поверхности после боронования пылеватая. Встречаются запаханные растительные остатки. Признаки сезонного оглеения проявляются в виде мелких (от 0,5 до 1-3 мм.) бурых и черно-бурых конкреций. Переход резкий по окраске и часто по гранулометрическому составу. Граница либо ровная, либо пилообразная, характерная для однократного прохода плуга [6].

Все агротехнические мероприятия осуществляются в оптимальные сроки для Московской области.

В годы проведения исследований климатические условия отличались от среднемноголетних показателей, как по температурному режиму, так и по количеству выпавших осадков. Так среднемноголетняя сумма осадков за период апрель-август составляла 326 мм, а среднемноголетняя среднесуточная температура воздуха - 13.3?С. В 2013 и в 2014 гг. за тот же период выпало 419,5 и 238,8 мм, соответственно, а среднесуточная температура воздуха составляла 16.2 и 16.0?С, соответственно.

Измерения сопротивления пенетрации проводили с применением ручного стрелочного пенетрометра фирмы «Eijkelkamp Agrisearch Equipment» (Нидерланды) с поверхностью конуса 1 см2, влажность почвы определяли экспресс-методом с помощью почвенного влагомера НН2 фирмы DELTA-T с датчиком измерения ThetaProbe Soil Moisture Sensor - ML2x и термовесовым методом. Геостатистическая обработка данных представлена с использованием программы Surfer 12 и пакета MS Excel.

При агрофизическом обследовании почвенного покрова одним из определяющих факторов является определение сопротивления пенетрации почвы. Именно твердость почвы оказывает большое влияние на технологические, физико-механические свойства почвы, её водный, воздушный и тепловой режим. Постараемся дать ответ на вопрос, как она изменяется на Длительном опыте РГАУ-МСХА на протяжении 100 лет и под действием каких факторов.

В исследовании А.Г. Прудниковой [7] показано, что длительное (более 60 лет) интенсивное использование легкосуглинистой дерново-подзолистой почвы Длительного опыта не привело к заметному изменению механического состава по сравнению с данными, опубликованными С.И. Ильменевым [8], а затем А.А. Шаймухаметовой [9]. Таким образом, почва опыта не испытала заметных изменений, и ее механический состав было принято считать устойчивым, сугубо генетическим и качественным признаком почвы [7].

Общеизвестно, что биологические особенности культур и агротехника их возделывания оказывают заметное влияние на величину твердости почвы. Через 60 лет после закладки опыта, по данным А.Г. Прудниковой [7], наименьшая твердость почвы в слое 0-20 см (табл. 1) была зафиксирована при возделывании бессменного картофеля - 0,8 МПа, более высокая - бессменной ржи - 1,3 МПа, а максимальная - в севообороте - 1,7 МПа [7].

Таблица 1. Влияние длительного возделывания полевых культур на твердость почвы, МПа

Следовательно, через 60 лет бессменного возделывания картофеля твердость незначительно превышала оптимальные значения для этой культуры (0,5-0,8 Мпа по П.У. Бахтину [10]), а под бессменной рожью твердость почвы изменялась в оптимальных пределах и на протяжении длительного времени и составляла 1,2-2,0 МПа [7].

В севооборотном поле отмечены резкие колебания твердости почвы, обусловленные особенностями технологий возделываемых культур, которые в убывающем порядке можно расположить в следующий ряд (табл. 1): озимая рожь - 2,6 МПа ? ячмень с подсевом клевера - 2,0 МПа ? картофель - 0,5 МПа.

Исследования, проведенные нами после 100-летнего периода закладки опыта, показывают, что сопротивление пенетрации почвы при возделывании картофеля в Длительном опыте значительно превышает описанные ранее значения (табл. 2) и доходит до критического уровня твердости легкосуглинистых дерново-подзолистых почв согласно классификации (табл. 3) [11, 12].

Наши исследования показали, что в 2013 году при возделывании картофеля бессменно твердость составляла 3,6 МПа при влажности почвы 18,4%. В 2014 году эта направленность усилилась до 3,7 МПа, однако и количество влаги резко сократилось до 5,4% (табл. 2).

Таблица 2. Влияние длительного возделывания полевых культур на твердость почвы, МПа

Таблица 3. Оценка переуплотнения почвы по критическим значениям сопротивления пенетрации

* Если реальная влажность почвы выше приведенной в диапазоне, к измеренному значению сопротивления пенетрации следует прибавить 0,25 МПа, а если ниже - вычесть 0,25 МПа.

На поле 122 при бессменном возделывании озимой ржи в 2013 и в 2014 годах также происходит увеличение сопротивления пенетрации почвы до 2,6 и до 2,8 МПа, соответственно, по сравнению с периодом 1972-1974 гг. (табл. 2).

Тенденция повышения твердости почвы сохраняется и на севооборотном участке. В 2013 году твердость почвы здесь составляла 2,2 МПа при влажности 21,4%, а в 2014 году - 2,3 МПа при влажности 6,8% (табл. 2).

Сопоставив усредненные показатели сопротивления пенетрации через 60 и 100 лет после закладки опыта, можно утверждать, что твердость легкосуглинистой дерново-подзолистой почвы Длительного опыта при бессменном возделывании картофеля за 40-летний период повысилась на 2,9 МПа (табл. 4). Такое уплотнение, на наш взгляд, произошло в результате разрушения почвенной структуры, что связано с интенсивной механической обработкой, которая привела к сильному распылению почвы с образованием большого количества микроагрегатов и элементарных почвенных частиц.

Длительное возделывание озимой ржи бессменно так же привело к увеличению твердости почвы на 1,4 МПа.

В севообороте зафиксировано менее значимое уплотнение - 0,5 МПа, также здесь отмечаются наименьшие вариации показателя твердости почвы, что связано со сменой культур и уровнем техногенного воздействия на почвенный покров.

почвенный пенетрация сельскохозяйственный

Таблица 4. Влияние длительного возделывания полевых культур на твердость почвы, МПа (1) и влажность, % (2)

Таким образом, данные по твердости почвы Длительного опыта, полученные за последние два года, показывают необходимость поиска причин её роста. На наш взгляд, это связано с усилением деградационных процессов, которые привели к изменению агроландшафта опытного участка вследствие перераспределения микроструктурных почвенных частиц.

Исследования показали, что на твердость также влияет применение различных сочетаний минеральных и органических удобрений совместно с известкованием и без него, так как оно изменяет состав и свойства почвенно-поглощающего комплекса и структурное состояние почвы.

Анализ полученных данных показал, что как на поле, где бессменно возделывались картофель и озимая рожь, так и в севообороте наименьшие значения сопротивления пенетрации зафиксированы на вариантах с внесением извести, независимо от фона питания культуры (табл. 5).

Наиболее высокий эффект в снижении твердости при бессменном возделывании культур проявлялся на вариантах с совместным внесением навоза и периодическим известкованием.

При длительном внесении полного минерального удобрения в комбинации с навозом на участке бессменного возделывания картофеля показатели твердости приближались к критическим значениям из-за резкого снижения влажности почвы (табл. 6) за счет потерь на физическое испарение гребнистой поверхностью поля. В севообороте на аналогичном фоне питания обеспечивается оптимальная твердость, и за счет смены культур стабилизируется структурное состояние пахотного слоя почвы.

Таблица 5. Изменение сопротивления пенетрации на различных фонах внесения удобрений в условиях Длительного опыта в 2013-2014 годах, МПа

Таблица 6. Влажность почвы на различных фонах внесения удобрений в условиях Длительного опыта в 2013-2014 годах, %

Таким образом, при длительном (более 100 лет) бессменном возделывании картофеля, как при внесении полного органического удобрения, так и применении различных комбинаций совместно с известью и без нее, происходит необратимая и постепенно усиливающаяся деградация физических и физико-механических свойств почвы. Внесение высоких доз навоза (20 т/га ежегодно) замедляет ее, но полностью не останавливает.

При возделывании озимой ржи бессменно сопротивление пенетрации также увеличивается, но не достигает критических значений.

Поле севооборота демонстрирует наиболее устойчивые физико-механические свойства легкосуглинистой дерново-подзолистой почвы опыта, что связано с увеличением массы пожнивно-корневых остатков и более разнообразным их качественным составом.

Использование компьютерной программы Surfer 12 позволило проследить пространственную изменчивость полученных данных. Вариация показателей твердости определялась особенностью рельефа территории опыта, гранулометрическим составом почвы, способом размещения возделываемых культур (бессменно, севооборот), формами и видами минеральных и органических удобрений (рис. 1).

Рис. 2. Распределение твердости почвы по фонам питания исследуемых участков полей: а) поле 132 - севооборот; б) поле 123 - бессменный картофель; в) поле - 122 бессменная озимая рожь

Создание карт поверхностного распределения свойств почвы носит диагностический и рекомендательный характер. Контуры разного цвета содержат сведения о свойствах почв, которые соответствуют оптимальным и критическим показателям агрофизических величин. Учет этих величин очень важен при проведении картографических работ.

Построение поверхности с помощью интерполяционного метода Кригинга с большей долей вероятности помогает выявить зоны, где доминируют повышенные параметры твердости почвы (рис. 3). В основе построения данной модели лежит метод наименьших квадратов, представляющий собой линию регрессии. Линии, имеющие красный оттенок, характеризуют участок с повышенными показателями твердости почвы, по мере их выцветания и перехода их к желтому оттенку показатели твердости переходят в разряд благополучных.

Рис. 3. 3D-модель распределения твердости по изучаемым участкам: а) поле 123 - бессменный картофель; б) поле 122 - бессменная озимая рожь; в) поле 132 - севооборот

Данные, представленные в таблице 7, позволяют статистически охарактеризовать участки а, б, в, представленные на рис. 3.

Таблица 7. Параметры статистического распределения твердости почвы для 3D-модели

Совместное использование геоинформационного картографирования и традиционных методов оценки свойств почвенного покрова позволяет осуществить максимально эффективное планирование систем землепользования и оценку земельных угодий для получения стабильных урожаев в сельском хозяйстве.

Стоит отметить, что систематическое изучение агрофизических показателей почвы и формирование базы данных позволит представить общую картину их изменений под влиянием разнообразных факторов окультуривания и создать полноценные модели для оптимизации свойств и режимов различных типов почв.

Внесение органического удобрения и периодическое известкование бессменных посевов опыта привело к незначительному, но все же уменьшению твердости почвы. Применение навоза на фоне извести не только способствовало снижению твердости, но и оказывало влияние на накопление влаги в этих вариантах.

Интенсивная механическая обработка почвы при длительном и бессменном возделывании культур ведет к деградации почвы из-за усиления минерализации органического вещества.

Систематическое внесение органических и минеральных удобрений, а также периодическое известкование являются действенным приемом регулирования физических и физико-механических свойств интенсивно используемых дерново-подзолистых почв. Вместе с тем необходимо отметить, что длительное внесение навоза, хотя и оказывает некоторое косвенное положительное влияние на снижение сопротивления пенетрации, но не обеспечивает поддержания этого свойства на оптимальном уровне.

Стоит отметить, что для сбалансированного и научно-обоснованного землепользования невозможно обойтись без учета реальной агрофизической оценки почвенного покрова. Комплексный подход к оценке физического состояния почвы при её интенсивном сельскохозяйственном использовании поможет предотвратить ряд неблагоприятных последствий в агрономии.

Литература

1. Мазиров М.А., Шеин Е.В. Полевые исследования свойств почв. - 2012. - 71 с.

2. Матюк Н.С. Ресурсосберегающие технологии снижения переуплотнения почв в современных системах земледелия Нечерноземной зоны России: Автореф. докт. диссертации. - М.: МСХА. - 1999. - 32 с.

3. Воробьев С.А., Буров Д.И., Туликов А.М. Земледелие. - М.;: Колос. - 1977. - 479 с.

4. Гончаров В.М. Проблема агрофизической оценки комплексного почвенного покрова. Вестник ОГУ. - 2009, №6. С. 560-564.

5. Хитров Н.Б., Хохлов Н.Ф. Длительный полевой опыт 1912-2012 // Краткие итоги научных исследований. - 2012. - С. 7-8.

6. World Reference Base for Soil Resources. WRB. -2007.

7. Прудникова А.Г. Влияние длительного применения удобрений, севооборота в бессменных посевах на физико-механические и технологические свойства дерново-подзолистой почвы Длительного опыта. Отчет по теме №4. - 1975. - С. 372-383.

8. Ильменев С.И. Материалы работы по оценке физико-механического состава дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы Длительного опыта. - 1935. - С. 12-27.

9. Шаймухаметова А.А. Физические свойства дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы Длительного опыта. Отчет по теме. - 1963. - 218 с.

10. Бахтин П.У. Физико-механические и технологические свойства почв. - М.: Знание. - 1971. - 195 с.

11. Lhotsky J., a kol.: Metodika zurodnini zhutninych pod. UVTIZ. - Praha. - 1984.

12. Zrubec F. Metodika zurodnenia zhutnenych pod. SFRI. - Bratislava. - 1998.

Размещено на Allbest.ru