Таблица 9. Поправочные коэффициенты к уровню продуктивности сельскохозяйственных культур в зависимости от агроэкологических типов земель

Влияние длительного применения удобрений на физико-химические свойства почв

Длительное применение минеральных удобрений способствовало повышению обменной и потенциальной кислотности почвы. При этом наблюдалось увеличение содержания подвижного алюминия, снижение суммы поглощенных оснований и степени насыщенности почвы основаниями. Доля алюминия в обменной кислотности почвы пахотного горизонта составляла 30- 47 %, а в емкости катионного обмена - 0,4 - 0,6 %.

При использовании органической системы удобрений показатели кислотно-основного состояния почвы были более благоприятными для растений. По сравнению с минеральной системой удобрений длительное применение органических удобрений способствовало увеличению рН_KCl на 0,16 - 0,71 ед., суммы поглощенных оснований на 0,08 - 1,14 мг-экв/100г, степени насыщенности почвы основаниями на 1 - 7%. На вариантах с органоминеральной системой удобрений, за счет дополнительного поступления карбонатов с навозом, отмечалось меньшее подкисление почвы, чем при использовании эквивалентного количества минеральных удобрений.

Действие систем удобрений и известкования на показатели кислотно-основного состояния почвы сказывалось не только на пахотном, но и на подпахотном слое почвы, что связано с миграцией карбонатов, а также припахиванием нижних слоев почвы. В иллювиальных горизонтах почвы кислотность резко увеличивается: рН_KCl составляет 3,35-3,55, обменная кислотность - 3,45-4,78 мг-экв/100 г, потенциальная кислотность - 5,95-8,27 мг-экв/100 г, содержание подвижного алюминия - 1,44 -2,82 мг-экв/100 г, доля алюминия в емкости катионного обмена - 13,2-20,7 %. При этом различия в показателях кислотно-основного состояния нижних горизонтов почвы по вариантам опыта были недостоверны.

Анализ динамики изменения кислотности почвы по ротациям севооборота показывает, что за последние 12 лет, когда известкования не проводилось, средневзвешенный показатель рН_KCl почвы без удобрений снизился на 0,36 ед., при внесении навоза 20 т/га - на 0,17 ед., навоза 10 т/га + N50Р25К60 - на 0,37 ед., N100Р50К120 - на 0,78 ед. Среднегодовые темпы снижения показателя рН составили на варианте без удобрений - 0,031, при использовании навоза 20 т/га в год - 0,016-0,018, навоз 10 т/га + N50Р25К60 - 0,033, N100Р50К120 - 0,064-0,077.

Подкисление почвы в процессе сельскохозяйственного использования почв обусловлено выносом обменных оснований с урожаем, а также миграцией их за пределы пахотного слоя. За последние 12 лет сумма обменных оснований в пахотном слое почвы снизилась, в зависимости от варианта опыта, на 0,36-1,97 мг-экв/100 г. Среднегодовое снижение содержания обменных карбонатов в почве на варианте без удобрений составило 95 кг/га, при использовании органической системы удобрений - 48 - 95 кг/га, органоминеральной - 138-161 кг/га, минеральной - 112-246 кг/га в пересчете на СаСО₃.

В многофакторном стационарном опыте установлено, что известкование почвы по полной гидролитической кислотности способствовало увеличению показателя рН_KCl - с 4,20 до 5,49, снижению обменной кислотности с 0,474 до 0,032 мг-экв/100 г, потенциальной кислотности - с 4,00 до 1,98 мг-экв/100 г, обменного алюминия - с 0,328 мг-экв./100 г до 0. Использование навоза способствовало повышению содержания обменных карбонатов в почве и некоторому снижению ее кислотности. При этом почти в 2 раза снизилось содержание обменного алюминия.

Применение азотных удобрений приводило к подкислению почвы и увеличению содержания обменного алюминия. Фосфорные удобрения способствовали снижению обменной кислотности и содержания обменного алюминия в почве. При использовании повышенных доз калийных удобрений отмечена тенденция снижения в почве обменных оснований и увеличения содержания обменного алюминия.

Действие известкования и удобрений на изменение физико-химических свойств почвы характеризуется следующими уравнениями регрессии:

рН_KCl = 4,24 - 0,0013N + 0,0025Р + 0,0289H + 0,4472Са + 0,7219Са^0,5 - 0,0101(NH)^0,5 - 0,0310(pCa)^0,5, R = 0,976

Аl, мг-экв/100 г = 0,2646 + 0,0171N^0,5 - 0,0065Р^0,5 - 0,0311H^0,5 - 0,4702Са^0,5 + 0,3152Са + 0,0042(nH)^0,5 - 0,0024(NCa)^0,5, R = 0,917

S, мг-экв/100 г = 1,699 + 0,0277Р^0,5 + 0,035H^0,5 + 0,6859Са^0,5, R = 0,720

где N, P - дозы азотных и фосфорных удобрений, кг/га; Н - среднегодовая доза навоза, т/га; Са - доза доломитовой муки в единицах гидролитической кислотности.

Баланс и трансформация органического вещества почв при длительном применении удобрений

Влияние длительного применения удобрений на динамику содержания и качественный состав гумуса. Многолетние исследования динамики содержания гумуса в почве длительного стационарного опыта позволили выявить основные закономерности в изменении гумусового состояния почвы при использовании различных систем удобрений. За 34 года без внесения удобрений содержание гумуса в почве снизилось на 0,12 % или на 11 % от первоначальных запасов. При использовании полного минерального удобрения также наблюдалось снижение содержания гумуса, хотя и в меньшей степени по сравнению с контролем без удобрений. В среднем, по вариантам с NP, NK и NPK убыль гумуса составила 0,09 % или 8 % от исходных запасов. Применение органических удобрений способствовало стабилизации и повышению содержания органического вещества в почвах. Использование навоза в дозе 10 т/га сопровождалось повышением содержания гумуса на 0,11 %, а 20 т/га - на 0,29 %. Средняя доза подстилочного навоза, обеспечивающая поддержание содержания гумуса на исходном уровне составила 8 т/га.

Установлено, что наибольшие изменения в гумусовом состоянии почв происходят в первые годы проведения опыта. Во 2 - 3 ротациях севооборота содержание гумуса стабилизируется на новых уровнях, соответствующих поступлению органического вещества с растительными остатками и органическими удобрениями и его минерализации (рис. 1).

Рисунок 1. Изменение содержания гумуса в почве при длительном применении удобрений (1968-2002 гг.), % (KONT - без удобрений, Н10 - навоз 10 т/га, Н20 - навоз 20 т/га, Н10_NРК - навоз 10 т/га +N50Р25К60, NРК - N100Р50К120)

Среднегодовая скорость изменения содержания органического углерода в почве варианта без удобрений снизилась с 0,02 % в первой ротации севооборота до 0,0083 % во второй, а начиная с 3 ротации наблюдается стабилизация ее на уровне + 0,002 % С (рис.2).

Рисунок 2. Динамика среднегодовой скорости изменения содержания органического углерода в почве (вариант без удобрений)

Для оценки скорости изменения содержания гумуса в почвах, уровня его стабилизации и времени, в течение которого происходит стабилизация его запасов проведен расчет динамики содержания гумуса в почве по уравнению:

C_t = C_e + (C_o - C_e) exp (-kt),

где: C_o, C_e, C_t - содержание органического вещества в почве при t= 0, при равновесии t > ? и в заданный период t, соответственно; k - константа скорости потери органического вещества почвы (Dalal R.C., Mayer R.J., 1986)

Анализ данных длительного стационарного опыта свидетельствует, что они достаточно хорошо описываются экспоненциальными уравнениями с коэффициентами регрессии 0,957 для варианта без удобрений и 0,715 для варианта N100Р50К120:

С_t без уд_. = 0,956 + 0,128 exp (-0,45049t), R = 0,957 R² = 0,916

С_t NPK = 1,004 + 0,076 exp (-0,3349t), R = 0,715 R² = 0,511

Приведенные уравнения показывают, что содержание гумуса в почве без удобрений и при внесении N100Р50К120 достигло равновесного состояния на 8-10 год после начала опыта. Уровень стабилизации содержания гумуса без удобрений составил 0,96 %, а при использовании минеральных удобрений - 1,00 %.

При использовании навоза в дозе 10 т/га равновесное содержание гумуса было достигнуто через 16 лет после начала опыта и составило 1,16 %. Использование повышенной дозы навоза 20 т/га не привело к стабилизации запасов содержания гумуса даже через 34 года проведения опыта (рис. 3):

С_t навоз 10 т/га = 1,08 + 0,08008 [1,0 - exp (-0,2436t)] R = 0,740 R² = 0,547

С_t навоз 20 т/га_. = 1,08 + 0,2287 [1,0 - exp (-0,1040t)] R = 0,821 R² = 0,691

а) контроль без удобрений б) N100P50K120

в) навоз 10 т/га г) навоз 20 т/га

Рисунок.3. Изменение содержания гумуса в почве длительного стационарного опыта

В микрополевом опыте установлено, что при низком исходном содержании гумуса (0,75 %) бездефицитный баланс его обеспечивается без внесения удобрений. Применение навоза в дозах 10 и 20 т/га увеличивало содержание гумуса на 47 %. При исходном уровне содержания гумуса 1,5 % воспроизводство его обеспечивалось в результате внесения навоза в дозе 10 т/га или соломы; при гумусированности почвы 2,4 % для бездефицитного баланса необходимо было вносить 20 т/га навоза, а при 3,2 % ни в одном из вариантов не достигнуто воспроизводства гумуса в почвах. При этом, чем выше исходное содержание гумуса в почве, тем выше его потери. Так с увеличением содержания гумуса в почве с 1,5 до 3,2 % среднегодовые темпы его потерь без применения удобрений возросли с 0,005 % до 0,036 % или в 7 раз.

Применение органических удобрений способствовало увеличению содержания гуминовых кислот в 2 раза и снижению содержания фракции 1а - «агрессивных» фульвокислот. В результате этого отношение С_ГК: С_ФК возросло с 0,58 до 0,99. При использовании органоминеральной системы удобрений основные закономерности в изменении качественного состава гумуса оказались сходными с органической системой удобрений, однако прирост содержания гуминовых кислот был меньше. Соответственно, отношение С_ГК: С_ФК возросло до 0,85.

Применение минеральных удобрений способствовало некоторому увеличению содержания 1 и 3 фракций гуминовых кислот, в то время как, содержание фракции ГК, связанных с кальцием, несколько снизилось (табл. 10).

Таблица 10. Влияние длительного применения удобрений на фракционно-групповой состав гумуса

Важнейшим показателем свойств гумусовых соединений является оптическая плотность ГК. Исследованиями установлено, что наиболее высокие показатели оптической плотности гуминовых кислот наблюдаются без удобрений и при использовании минеральной системы удобрений. Применение органических удобрений снижало оптическую плотность гуминовых кислот, что говорит об увеличении в их составе доли алифатических структур и снижении степени бензоидности (табл. 11).

Таблица 11. Оптическая плотность гуминовых кислот (ГК-1 + ГК-2)

Об этом же свидетельствует более широкое отношение Е₄₆₅/Е₆₆₅ при использовании органических удобрений.

На основе имеющегося массива данных, полученных в двух стационарных опытах, определены корреляционные зависимости содержания различных фракций гумуса от кислотности почвы, использования навоза и азотных удобрений. Установлено, что известкование почвы слабо влияет на содержание общего углерода, однако способствует снижению в составе гумуса доли 1 фракции гумусовых кислот, в том числе фракции ГК-1. Одновременно увеличивается доля 2 фракции, включая ГК-2, а также возрастает соотношение С_ГК : С_ФК.

Применение навоза способствует существенному увеличению содержания гумуса, при незначительном снижении в его составе доли 1 фракции гумусовых кислот, за счет снижения содержания фульвокислот. Одновременно наблюдается возрастаниие доли гуминовых кислот, включая ГК-2, в результате чего увеличивается отношение С_ГК : С_ФК

Азотные удобрения способствуют увеличению подвижности гумуса за счет увеличения 1 фракции гумусовых кислот, в т.ч. ГК-1, при отчетливой тенденции к снижению доли 2 фракции гуминовых кислот и негидролизуемого остатка. В целом, наблюдается сходство изменения качественного состава гумуса при известковании почвы и применении органических удобрений и противоположные изменения - при использовании азотных удобрений.

Вместе с тем, несмотря на длительное применение даже повышенных доз органических удобрений направленность гумусообразования меняется незначительно, сохраняя основные черты, свойственные данному генетическому типу почв.

Влияние длительного применения удобрений на содержание активных компонентов органического вещества почв. Для количественной оценки органического вещества, наиболее подверженного трансформации, предложены различные методы: определение содержания легкоразлагаемого органического вещества С_лов (Ганжара Н.Ф. и др., 1987); лабильного и водорастворимого гумуса С_лаб и С_вод (Дьяконова К.В. и др., 1984); негумифицированного органического вещества (С_орг - С_гум) (Александрова Л.Н., Юрлова О.В.,1984).

В последние годы для определения активной (трансформируемой) части почвенного органического вещества С_trans предложено использовать показатель минимального содержания гумуса, который может быть установлен в почве контрольных вариантов длительных опытов, либо в почве бессменного чистого пара. В этом случае содержание трансформируемого органического вещества почв определяется по уравнению: С_trans = С_орг - С_min , где С_орг - содержание ОВ в вариантах опыта; С_min - минимальное содержание гумуса в почве многолетнего чистого пара варианта без удобрений (Kцrschens M., 1980; Шульц Э., Кёршенс М., 1998)

Оценка содержания органического вещества в почве 34 - летнего чистого пара показала, что содержание С_орг в почве тесно связано с содержанием гранулометрических фракций < 0,005, < 0,01, < 0,05 мм. Коэффициенты корреляции между С_орг и содержанием этих фракций составляли 0,765, 0,817 и 0,818, соответственно. Учитывая особенности определения гранулометрического состава почв, для расчета С_min могут быть использованы данные по содержанию мелкой пыли и ила (<0,005 мм) с коэффициентом 0,04+0,003 или данные содержания частиц <0,01 мм с коэффициентом 0,03+0,002.

Сравнение содержания трансформируемого ОВ в почве 5 полевых опытов свидетельствует о тесной связи между содержанием С_trans и поступлением ОВ с пожнивно-корневыми остатками растений и органическими удобрениями. Почвы неудобренного многолетнего чистого пара и зернопропашного севооборота с 50 % пропашных характеризовались минимальным содержанием С_trans (0,0 - 0,033 % или 0 - 6 % от общего содержания С_орг в почве). В зернотравяном и зернотравянопропашном севооборотах с 33 % многолетних трав содержание С_trans составляло 0,240 - 0,248 % или 31 - 35 %. При использовании органических удобрений содержание С_trans увеличилось в зависимости от вида севооборота и дозы навоза до 0,085 - 0,315 %, а доля его достигала 15 - 40 % от общего содержания С_орг в почвах (рис.4...5).

Рисунок 4. Содержание инертного и трансформируемого ОВ в дерново-подзолистых супесчаных почвах в различных севооборотах ( варианты без удобрений : 1 - бессменный чистый пар, 2 - зернопаровой, 3 - зернопропашной с 25 % пропашных, 4 - зернопропашной с 50 % пропашных, 5 - зернотравянопропашной, 6 - зернотравяной)

Рисунок 5. Содержание инертного и трансформируемого ОВ в почве при использовании удобрений (варианты: 1 - бессменный чистый пар,без удобрений. 2 - севооборот, без удобрений, 3 -навоз 20 т/га, 4 - навоз 10 т/га + N50Р25К60 , 5 - N100Р50К120, 6 - навоз 10 т/га + N100Р50К120)

Результаты исследований по оценке влияния длительного применения удобрений на содержание различных фракций органического вещества почвы показали, что наиболее тесные корреляционные зависимости наблюдаются между содержанием углерода гумуса и С_trans, С_trans и С_лаб, С_эгв и С_лаб. В меньшей степени содержание трансформируемого органического вещества коррелирует с содержанием водорастворимого гумуса, поскольку названная фракция представлена преимущественно неспецифическими соединениями и фульвокислотами. (табл. 12).

Таблица 12.Влияние длительного применения различных удобрений на содержание различных фракций ОВ в почве

* ?С = С_орг - С_гум

На основе взаимосвязи содержания органического вещества в почве с урожайностью культур определены уровни содержания активных компонентов ОВ и поступления свежего ОВ, обеспечивающие получение необходимой продуктивности севооборотов (табл. 13).

Таблица 13. Потребность в свежем органическом веществе и уровни содержания ОВ, обеспечивающие получение необходимой продуктивности севооборотов

Расчеты показывают, что продуктивность севооборотов 20-30 ц з.ед./га может быть достигнута при содержании в дерново-подзолистой супесчаной почве 0,10-0,15 % трансформируемого ОВ в пересчете на углерод. При содержании в почве 0,4 % С_trans, становится возможным получение 40-50 ц з.ед./га. В зернотравяных севооборотах такое содержание С_trans может быть достигнуто без внесения органических удобрений, однако в пропашных и зернопропашных севооборотах оптимизация режима органического вещества невозможна без использования органических удобрений.

Круговорот и баланс углерода в агроценозах при длительном применении удобрений. Одним из методов оценки гумусового состояния почв является определение баланса органического вещества. Однако баланс углерода в почвах неразрывно связан с балансом углерода в экосистеме, поэтому проведение этих исследований представляет интерес не только для оценки направленности изменения плодородия почв, но и с точки зрения изучения глобальных циклов углерода в биосфере, в особенности с ростом концентраций парниковых газов в атмосфере.

В лизиметрическом опыте определено, что при использовании органических удобрений наблюдается резкое увеличение содержания воднорастворимого органического вещества в лизиметрических водах, особенно в 1 год действия удобрений. Среднегодовые потери углерода ВОВ с внутрипочвенным стоком колебались от 25,5 до 127,3 кг/га и были прямо пропорциональны дозе внесения органических удобрений.

На основе данных изменения содержания гумуса в почве, поступления углерода с пожнивно-корневыми остатками и потерь углерода с внутрипочвенным стоком определен баланс углерода в зернопропашном севообороте. Установлено, что за 34 года поступление углерода с пожнивно-корневыми остатками в 1,9-2,6 раз превысило его исходные запасы в почве. Из поступившего с растительными остатками и навозом органического вещества 96 % минерализовалось, при этом потери углерода с внутрипочвенным стоком составили около 2 %, а 98 % выделилось в атмосферу. Среднегодовые эмиссионные потери углерода составили на варианте без удобрений 1071 кг/га, при внесении навоза 20 т/га - 2794 кг/га, 10 т/га навоза + N50Р25К60 - 2141 кг/га, N100Р50К120 - 1415 кг/га (табл. 14).

В зависимости от структуры севооборотов, уровня применения удобрений, длительности проведения опыта ежегодно минерализуется от 1,0 до 3,2 т/га органического вещества в пересчете на углерод. В структуре минерализационных потерь углерода доля эмиссии С-СО₂ составляет 97-98 %. Применение органических удобрений приводит к увеличению эмиссии СО₂ из почвы в 1,6-2,6 раза. Максимальное выделение СО₂ из почвы наблюдается в севооборотах с пропашными культурами при использовании органических удобрений.

Вместе с тем, ассимиляция С-СО₂ в урожае основной и побочной продукции, как правило, превышает количество выделившегося С-СО₂ из почвы. Соотношение ассимиляции и эмиссии углерода на вариантах без удобрений колеблется от 1,0 в зернопропашном севообороте с 50 % пропашных до 1,8 в зернотравяном севообороте.

Применение минеральных удобрений увеличивает ассимиляцию С-СО₂ в урожае основной продукции на 18-70 %, в результате сток углерода в агроценозе в 1,3-3,4 раза превышает эмиссию его из почвы. При использовании органических удобрений эмиссия С-СО₂ из почвы на 579-701 кг/га превышает ассимиляцию его в урожае. При сочетании органических и минеральных удобрений, в результате роста урожая, ассимиляция С-СО₂ из атмосферы значительно превышает его потери из почвы.

Экспериментальные данные по изменению содержания органического углерода в почве севооборотов послужили основой для разработки статистической модели динамики содержания гумуса в легких дерново-подзолистых почвах.

Модель представляет собой уравнение регрессии второго порядка:

ДС = - 0,3475C_н + 0,091Н + 0,0104F + 0,1522S - 0,0042P + 0,0028M + 0,0755C_н² + 0,0000807N² - 0,0552S² - 0,00002512Р² - 0,00001(NН) R = 0,808 R² = 0,653,

где ДС - изменение содержания углерода гумуса за период наблюдений, %; C_н - начальное содержание гумуса, %; N - среднегодовая доза внесения азотных удобрений, кг/га; Н - среднегодовая доза внесения навоза, т/га; F - содержание физической глины, %; S - среднегодовая доза внесения соломы, т/га; Р - доля пропашных культур в севообороте, %; М - доля многолетних трав в севообороте, %.

Результаты численного эксперимента показывают, что баланс и направленность изменения содержания гумуса при сельскохозяйственном использовании почв в значительной степени зависит от уровня исходного содержания гумуса и структуры севооборота. Разработанная модель позволяет определять дозу внесения органических удобрений, обеспечивающую компенсацию минерализационных потерь гумуса при выращивании пропашных и зерновых культур, а также прогнозировать изменение его содержания в почвах в зависимости от агротехнических факторов.

Таблица 14. Круговорот и баланс углерода в агроценозах при использовании удобрений

Баланс и режим элементов минерального питания в почвах при длительном применении удобрений

Баланс азота и азотный режим почв. Наблюдения за динамикой содержания минерального азота, проведенные с 1990 по 2005 гг., свидетельствуют о неустойчивом азотном режиме легких дерново-подзолистых почв и больших потерях минерального азота, особенно в осенне-зимний период..

В среднем за годы исследований в осенне-зимний и весенний периоды содержание минерального азота в слое почвы 0-60 см снижалось на варианте без удобрений на 12,5 кг/га, навоз 20 т/га - на 18,5 кг/га, навоз 10 т/га + N50P25K60 - на 16,5 кг/га, N100P50K120 - на 34,5 кг/га. Относительные потери минерального азота с внутрипочвенным стоком составили, соответственно, по органической системе удобрений 19 %, органоминеральной - 17 %, минеральной - 35 % от внесенного.

В лизиметрическом опыте определено, что наиболее высокой концентрацией минерального азота характеризуется осенний сток. В среднем за 6 лет исследований потери азота с внутрипочвенным стоком без применения удобрений составили 15,3 кг/га, что совпадает с данными, полученными в длительном стационарном опыте (12,5 кг/га). С увеличением доз внесения органических удобрений более 80 т/га потери азота резко возрастали. При этом доля нитратного азота в общих потерях азота достигала 90-97 %.

При характеристике баланса азота и азотного режима почв важное значение принадлежит оценке размеров симбиотической и несимбиотической азотфиксации. На основе сравнения выноса азота люпином и ячменем в длительном стационарном опыте установлено, что в расчете на 1 т сухой массы люпина фиксируется 28,9 кг атмосферного азота, а коэффициент азотфиксации составляет 68-70 %. В сумме за 7 ротаций севооборота однолетним люпином было фиксировано от 725 до 806 кг/га азота или 105-114 кг/га за ротацию.

Определение размеров несимбиотической фиксации азота на основе балансового метода показало, что в среднем за 1968-2002 годы в севообороте: люпин - озимая пшеница - картофель - ячмень на варианте без азотных удобрений в почву поступало 34,2-38,4 кг/га несимбиотически связанного азота в год. В севообороте без бобовых, размеры несимбиотической азотфиксации азота свободноживущими и ассоциативными микроорганизмами были приблизительно равны выносу азота урожаем культур без удобрений и составляли 22,9 кг/га на кислой почве и 41,0 кг/га на произвесткованной.

Без использования удобрений поступление азота с семенами, атмосферными осадками и симбиотической азотфиксацией люпином компенсировало только 77 % выноса азота с урожаем культур, среднегодовой дефицит азота составил 11,3 кг/га или 315 кг/га за весь период наблюдений. Применение фосфорно-калийных удобрений увеличивало вынос азота урожаем сельскохозяйственных культур на 16 %, в результате чего дефицит азота возрос до 16,4 кг/га в год.

Использование азотных удобрений и навоза способствовало росту урожайности и увеличению выноса азота, при этом баланс его становился положительным. Интенсивность баланса азота при среднегодовой дозе N50 составила: по органической системе удобрений - 139 %, органоминеральной - 128 %, минеральной - 118 %; при дозе N100, соответственно, 202, 176 и 174 %.

Более высокая интенсивность баланса азота по органической системе удобрений, по сравнению с минеральной, обусловлена меньшей эффективностью навоза, чем при внесении эквивалентного количества минеральных удобрений. Коэффициент использования азота навоза составлял 30 % при средней дозе его внесения и 20 % - при высокой, в то время как азота минеральных удобрений, соответственно, 52 и 31 %. При сочетании органических и минеральных удобрений использование азота растениями составило 42 и 31 %.

Установлено, что с увеличением в севообороте доли бобовых культур резко возрастает вынос азота урожаем, однако баланс азота становится менее дефицитным. Положительный баланс азота без удобрений обеспечивается при доведении доли бобовых культур в зернотравяном севообороте до 40 %.

Одним из важных показателей, характеризующих использование азота удобрений в агроценозах, является показатель биологической утилизации (усвоения) азота. Он представляет собой сумму коэффициентов усвоения азота растениями и аккумуляции его в органическом веществе почвы. (Черников В.А. и др., 2000; Милащенко Н.З. и др., 2002).

Исследования показали, что, несмотря на более высокое усвоение растениями азота минеральных удобрений, биологическая утилизация азота при использовании минеральной системы удобрений в 1,3-1,4 раза ниже, чем при применении органической и в 1,2 раза ниже, по сравнению с органоминеральной. При использовании в севообороте 10 т/га навоза в год потери азота составили 12,2 кг/га (24 %), N50P25K60 - 21,4 кг/га (43 %), навоза 5 т/га + N25P12K30 - 15,7 кг/га (31 %). С увеличением доз внесения удобрений в 2 раза потери азота возрастали до 48,3-62,0 кг/га (48-62 %). При ежегодном поступлении с удобрениями 150 кг/га азота, потери его увеличивались до 92,2 кг или до 61 % дозы (табл. 15).

Таблица 15.Биологическая утилизация (усвоение) и потери азота в зернопропашном севообороте при использовании различных систем удобрений (1968-2002 гг.)

Различные системы удобрений оказывали неодинаковое влияние на состояние азотного фонда дерново-подзолистой супесчаной почвы. При длительном применении органических удобрений увеличивалось содержание общего и легкогидролизуемого азота, азота легкоразлагаемого органического вещества и лабильного гумуса, азота, экстрагируемого горячей водой, азотминерализующей и нитрификационной способности почвы. При использовании минеральных удобрений эти изменения были незначительны, а органоминеральная система удобрений по действию на азотное состояние почвы занимала промежуточное положение. Длительное бессменное парование почвы привело к существенному обеднению почвы азотом легкотрансформируемых компонентов органического вещества (табл. 16).

Таблица 16. Влияние длительного применения удобрений на показатели азотного состояния дерново-подзолистой супесчаной почвы

*) над чертой содержание азота в мг/кг, под чертой - % от суммы

В зависимости от доз удобрений содержание общего азота в пахотном слое почвы составляло 1725-3060 кг/га; запасы азота легкоразралагаемого органического вещества колебались от 81 до 352 кг/га; азота лабильного гумуса - 228-501 кг/га; азота, экстрагируемого горячей водой, - 168-330 кг/га. Отмечена тенденция снижения отношения C/N при использовании минеральной системы удобрений в разлагаемых компонентах органического вещества почвы, что может свидетельствовать об увеличении его подвижности.

Баланс фосфора и фосфатный режим почв. При поступлении с удобрениями 25 кг/га Р₂О₅ в год баланс фосфора был бездефицитным при всех системах удобрений. С увеличением дозы фосфора до 50 кг/га баланс его становился положительным и составлял 22,0-25,2 кг/га в год, а при внесении 75 кг/га - 46,1 кг/га в год. Вследствие меньшей продуктивности посевов при внесении навоза, по сравнению с минеральными удобрениями, интенсивность баланса фосфора по органической системе удобрений составляла 112-193 %, в то время как по органоминеральной - 105-173 %, минеральной - 106-189 %. Вместе с тем, в отличие от азота, различия в коэффициентах использования растениями фосфора навоза и минеральных удобрений были невелики. Так, при среднегодовой дозе внесения навоза 10 т/га коэффициент использования равнялся 28 %, а при внесении эквивалентного количества минеральных удобрений - 33 %, соответственно при дозе 20 т/га, 19 и 20 %. При сочетании органических и минеральных удобрений коэффициенты использования фосфора составляли 26-34 %. Наблюдалась тесная корреляционная зависимость между коэффициентами использования фосфора удобрений и оплатой их урожаем.

За 34 года проведения опыта содержание подвижного фосфора в почве без применения удобрений практически не изменилось по сравнению с исходным состоянием, несмотря на ежегодный вынос фосфора с урожаем в среднем 17,5 кг/га. При низких исходных запасах подвижного фосфора, усвоение его происходило из менее подвижных форм, а также подпахотных слоев почвы. Этому способствовало систематическое поддерживающее известкование почвы, а также выращивание в севообороте 1 раз в 4 года однолетнего люпина. Об усвоении фосфора из менее подвижных форм, а также подпахотных горизонтов, свидетельствует тот факт, что при длительном применении среднегодовых доз Р25, обеспечивающих интенсивность баланса фосфора 105-112 %,содержание его возросло на 2,3-3,8 мг/100 г почвы.

Внесение с удобрениями Р50 обеспечивало увеличение содержания подвижного фосфора в пахотном слое почвы до 5,3-9,6 мг/100 г, Р75 - до 10,1 мг/100 г.

Начиная с 4-ой ротации севооборота, отмечена стабилизация содержания подвижного фосфора в почве на уровне 4,2-5,5 мг/100г при внесении с удобрениями 25 кг/га фосфора. При внесении более высоких доз содержание фосфора в почве продолжало увеличиваться, хотя и более медленными темпами, чем в начале проведения опыта. Затраты фосфора удобрений (сверх выноса его урожаем) на увеличение содержания фосфора в почве на 1 мг/100г составили в среднем 104 кг.

Под влиянием удобрений произошло существенное увеличение валовых запасов фосфора. Без применения удобрений содержание его составило в среднем по 2 полям 68,2 мг/100 г (0,0682 %). При бездефицитном балансе фосфора (вариант навоз 5 т/га + N25Р12К30) валовое содержание Р₂О₅ в почве соответствовало содержанию фосфора в почве бессменного чистого пара. С увеличением среднегодовой дозы внесения фосфорных удобрений до 50 кг/га валовое содержание его в почве возрастало на 32-34 %, 75 кг/га - на 40 %. При этом основной прирост содержания фосфора в почве, в том числе и при использовании органической системы удобрений, происходил за счет фракции минеральных фосфатов.

Различные системы удобрений оказывали сходное влияние на фосфатный режим почвы. Отмечено некоторое увеличение содержания рыхлосвязанных фосфатов, а также фосфатов алюминия, по органической системе удобрений, по сравнению с минеральной системой удобрения (табл. 17).

Определение потенциальной буферной способности почвы по отношению к фосфору свидетельствует о повышении доступности остаточного фосфора для растений при длительном применении фосфорсодержащих удобрений. При использовании органической системы удобрений равновесная активность фосфатов выше, а потенциальная буферная способность к фосфору - ниже, чем при применении минеральных удобрений, что обусловливает возможность миграции фосфатов в нижележащие горизонты почвы. Вместе с тем, иллювиальные суглинистые горизонты почвы характеризуются исключительно высокой поглотительной способностью по отношению к фосфору, что препятствует передвижению фосфатов за пределы почвенного профиля (табл. 18).

Таблица 17. Влияние длительного применения удобрений на фракционный состав фосфатов дерново-подзолистой супесчаной почвы, мг/100 г

*) над чертой - содержание Р₂О₅ в мг/100 г, под чертой - в % к сумме

Таблица 18. Влияние длительного применения удобрений на показатели фосфатной буферной способности почвы

О более высокой подвижности фосфатов при использовании органических удобрений свидетельствуют также результаты вегетационного опыта по оценке доступности «остаточных» фосфатов. При относительно близких уровнях содержания подвижного фосфора в почве вынос его растениями по последействию органической системы удобрений возрастал на 64 %, органоминеральной - на 56 %, минеральной - на 31 %.

В лизиметрическом опыте определено, что среднегодовые потери фосфора из пахотного горизонта дерново-подзолистой супесчаной почвы на варианте без удобрений равны 3,7 кг/га. При использовании навоза в дозах 40-80 т/га потери фосфора увеличивались на 2,0-3,6 кг/га, что составляло 0,8-3,2 % от внесенного с удобрениями. Близкие данные были получены при расчете потерь фосфора с внутрипочвенным стоком на основе изменения его валового содержания в почве стационарного опыта. В среднем за год при использовании органической системы удобрений (навоз 20 т/га) терялось 5,9 кг Р₂О₅/га, минеральной - 2,8 кг/га, органоминеральной - 1,6 кг/га. При использовании в севообороте навоза 10 т/га + N100Р50К120 расчетные потери фосфора составили 12,8 кг/га в год.

Баланс калия и калийный режим почв. Среднегодовой вынос калия с урожаем сельскохозяйственных культур без применения удобрений составил 35,6 кг/га, при использовании N50Р50 он увеличивался до 45,2 кг/га. Применение калийных удобрений в дозе К60 обеспечивало интенсивность баланса 100-101 %, К90 - 135 %, К120 - 167 %, К180 - 215 %. При использовании навоза интенсивность баланса калия была выше, а коэффициент его использования из удобрений ниже, по сравнению с эквивалентным количеством минеральных удобрений, что объясняется более низким уровнем урожайности. Коэффициенты использования растениями калия при внесении N50Р25К60 и навоз 5 т/га + N25Р12К30 были примерно одинаковы (38 и 39%), однако в случае применения удобрений в повышенных дозах усвоение калия на варианте с органоминеральной системой удобрений было на 3 % выше, по сравнению с минеральной.

Потребление калия резко увеличивалось при сочетании его с азотными удобрениями, а также при известковании почвы. Наблюдалась прямая зависимость между уровнем оплаты удобрений урожаем и коэффициентом использования калия из удобрений.

Анализ динамики содержания обменного калия в почве длительного опыта показал, что в течение 10-12 лет произошла стабилизация его запасов на новых уровнях, соответствующих дозам его внесения в почву и выносу с урожаем. Без применения удобрений содержание обменного калия в почве стабилизировалось на уровне 6-7 мг/100 г, при использовании К60 - 11-12 мг/100 г, К90 - 13-14 мг/100 г, К120 - 16-18 мг/100 г, К180 - 23-24 мг/100 г. Различные системы удобрений равноценно влияли на содержание обменного калия в почве. Затраты калийных удобрений (сверх выноса урожаем) на увеличение содержания калия на 1 мг/100 г почвы за период стабилизации его содержания на новом уровне составили в среднем 41 кг.

При дефиците калия происходила его мобилизация из необменных форм. В сумме за 7 ротаций без удобрений баланс калия составил - 997 кг/га, а на варианте N50Р50 - 1264 кг/га или -36 кг/га и - 45 кг/га в год, при этом содержание обменного калия в пахотном слое почвы снизилось на 0,2-1,4 мг/100 г или на 6-42 кг/га. Мобилизация калия из необменных форм могла составить 994-1225 кг/га или 35-44 кг/га в год. С учетом использования калия из подпахотных горизонтов суммарное потребление калия из необменной формы достигло без удобрений 880 кг/га или 31 кг/га в год, при использовании N50Р50 - 1147 кг/га или 41 кг/га в год.

Длительное использование пахотной почвы без внесения калийных удобрений привело к снижению запасов калия и уменьшению его подвижности. По сравнению с чистым паром содержание легкоподвижной формы калия в севообороте снизилось на 24-49 %, обменной - на 27-34 %, необменной - на 10-26 %. Отмечена тенденция снижения валового содержания калия в почве, включая калий минерального скелета, без применения удобрений и при внесении N50Р50.

Применение удобрений способствовало увеличению подвижности калия. Под влиянием повышенных доз удобрений содержание водорастворимого калия возросло в 2,2-2,6 раза, легкоподвижного - в 3,3 - 3,5 раза, обменного - в 2,8-3,1 раза. Содержание необменных форм калия также несколько увеличивалось, однако это увеличение происходило только за счет необменного легкогидролизуемого калия. По сравнению с неудобренной почвой доля обменного калия в валовом содержании возросла с 0,6 до 1,0-1,9 %, а отношение обменного калия к необменному с 0,12 до 0,18-0,36 (табл. 19).

Таблица 19. Содержание различных форм калия в дерново-подзолистой супесчаной почве (в среднем по 2 полям, 6 ротация севооборота)

Наблюдалась прямая зависимость активности ионов калия и калийного потенциала почвы от доз внесения удобрений. При стационарном содержании калия в почве варианта без удобрений величина калийного потенциала почвы составила - 3244 кал/моль, что недостаточно для получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур. Оптимальные значения калийного потенциала, обеспечивающие продуктивность севооборота 40 ц з.ед. и более, равны - 2890-2750 кал/моль, а доля обменного калия в эффективной ЕКО - 6,0-9,8 %. Применение калийных удобрений в высоких дозах приводило к повышению калийного потенциала до - 2583 - 2715 кал/моль, что по шкале Вудраффа свидетельствует об избыточном калийном питании растений. При использовании органических удобрений значения калийного потенциала были на 9 % ниже, по сравнению с применением минеральных удобрений (табл. 20).

Таблица 20. Содержание водорастворимых катионов и калийный потенциал почвы (в среднем по 2 полям)

Анализ изотерм сорбции калия свидетельствует об изменении потенциальной буферной способности к калию в зависимости от генетических свойств почвы и уровня применения удобрений (рис.6).

?К мг-экв/100 г почвы

Рисунок 6. Изотермы сорбции калия дерново-подзолистой почвой в зависимости от применения удобрений

Без удобрений и при внесении N50Р50 большинство экспериментальных точек кривых лежит выше оси абсцисс, что свидетельствует о большей способности почвы поглощать калий из раствора, чем отдавать его. Содержание лабильного калия (К_L) низкое, при этом оно почти полностью совпадает с содержанием обменного калия в 1н уксусно-аммонийной вытяжке. При использовании удобрений наблюдалось значительное увеличение содержания лабильного калия, включая калий специфических позиций. При этом по минеральной системе удобрений содержание лабильного калия было в 1,5 раза выше, по сравнению с органической.

В зависимости от уровня удобренности выделяются 2 вида сорбционных кривых. При дефиците калия (варианты без удобрений и N50Р50) зависимость между ?К («фактор емкости Q») и АR_о («фактор интенсивности I) в широком интервале концентраций калия в почвенном растворе приближается к прямолинейной. При использовании удобрений сорбционные кривые имеют вытянутую S-образную форму, что свидетельствует о наличии двух типов неспецифических обменных позиций. Наибольшим углом наклона кривой сорбции и, следовательно, наиболее высокой потенциальной буферной способностью к калию, характеризуется почва иллювиального горизонта. Применение удобрений способствует снижению ПБС^К, что объясняется уменьшением селективности почвы к калию, вследствие насыщения неспецифических обменных позиций. По показателю ПБС^К почвы вариантов опыта располагались в следующей последовательности: N100Р50К120 < навоз 20 т/га < N50Р50 < без удобрений, горизонт Апах < без удобрений, горизонт ВDg^|| .