Эколого-агрохимические аспекты воспроизводства плодородия почв и длительного применения удобрений

Результаты наших исследований в стационарных полевых опытах [Никитишен и др., 1991, 1993, 2000а] подтвердили эти положения и дали возможность развить представление о зависимости эффективности фосфорного удобрения от изменяющегося во времени фосфатного уровня серой лесной почвы и обеспеченности ее азотом. В полевых опытах на Экспериментальной полевой станции Института установлено, что под влиянием систематического применения одинарной и двойной доз фосфорного удобрения в составе полной питательной смеси содержание подвижных фосфатов в пахотном слое почвы возрастало к концу 1-й ротации 9-польного севооборота от 3,4-4,0 до 6,5-7,2 и 9,3-10,0 мг/100 г (поле 1) и от 7,4—7,8 до 10,4-10,8 и 13,0—14,0 мг/100 г (поле 2), к концу 2-й ротации соответственно - до 9,2—10,0 и 13,4-14,1, до 12,9—13,9 и 17,0-17,9 мг/100 г. Обогащение почвы подвижными фосфатами наблюдалось также в нижележащих горизонтах и обусловливалось не только передвижением вниз по профилю фосфора, внесенного с удобрением, но и повышением подвижности почвенных фосфатов вследствие подкисления среды под влиянием физиологически кислого азотного удобрения. Потребление фосфора посевами сельскохозяйственных культур тесно коррелировало с исходным фосфатным уровнем почвы и темпами обогащения ее подвижными фосфатами за счет удобрения. При выращивании посевов на почве с содержанием подвижных фосфатов 3-4 мг/100 г в поле 1 они усваивали на варианте с внесением азотно-калийного удобрения за 1-ю ротацию севооборота 161 кг/га Р₂О₅, а за период 1978-1997 гг. - 354 кг/га. Под влиянием систематического применения на этом фоне двойной дозы фосфорного удобрения потребление растениями фосфора возрастало до 263 и 665 кг/га соответственно. На неудобренной фосфором почве со средней обеспеченностью подвижными фосфатами в поле 2 (7-8 мг/100 г) складывался более высокий уровень фосфорного питания растений, характеризуемый потреблением за 1-ю ротацию севооборота 255 кг/га, за период 1979-1998 гг. - 492 кг/га Р₂О₅. В этих условиях отзывчивость посевов на фосфорное удобрение была ниже, чем в поле 1, а суммарное использование ими фосфора из почвы и удобрения за 1-ю ротацию севооборота составило 314 кг/га, за период 1979-1998 гг. -702 кг/га, т.е. было несколько выше.

Низкий коэффициент использования  растениями фосфора из удобрения  и связанное с этим накопление остаточного его количества в почве в подвижной форме обусловливают проявление длительного последействия фосфорного удобрения [Касицкий и др., 1980; Маркина, 1986; Никитишен и др., 2000а]. Данные, характеризующие этот аспект баланса фосфора в агроценозах, подробно обсуждены нами выше. Таким образом, на основе изложенного можно заключить, что систематическое применение фосфорного удобрения в севооборотах на серых лесных почвах приводит к обогащению корнеобитаемого слоя почвы преимущественно подвижными фосфатами, легко доступными растениям.

Калийный режимпочвы. Калий в серых лесных почвах средне-тяжелосуглинистого гранулометрического состава относится к элементам третьего минимума [Гордецкая, 1976; Никитишен и др.,1994а, 1996а]. При длительном внесении на этих почвах калийных удобрений он закрепляется в корнеобитаемом слое в обменной и необменной формах, сохраняя хорошую доступность растениям [Никитишен, 1984; Минеев, 1999]. Взаимодействие этих двух форм калия с его воднорастворимой формой образует динамическую систему, предотвращающую его выщелачивание и обеспечивающую калийное питание растений. Как показали наши исследования, при слабом усвоении посевами внесенного с удобрением калия большая часть этого элемента (54-64%) резервируется в почве в необменнопоглощенном состоянии, а меньшая (21-25%) - подвергается обменной сорбции. В благоприятных условиях азотного питания, усиливающих поступление калия в растения, происходит высвобождение его из необменной формы в обменную и далее в почвенный раствор, вследствие чего культуры севооборота потребляют до 70% внесенного с удобрением калия. Установлено, что характерной особенностью калийного режима серой лесной почвы является увеличение с глубиной обменной и необменной форм калия, тесно коррелирующих с долей илистой фракции в гранулометрическом составе почвы (рис. 17). Под влиянием длительного внесения калийного удобрения наблюдается повышение содержания этих форм калия в почве не только верхнего, но и нижележащих горизонтов. Надо полагать, что такое распределение калия в почвенной толще не снижает доступности его растениям, особенно в том случае, когда в севообороте выращиваются культуры, обладающие глубокопроникающей корневой системой.

Исследования, проведенные  в стационарном полевом опыте  на Калужской опытной станции, дают возможность обосновать это положение. Установлено, что при внесении 360 и 720 кг/га К₂О под первые пять культур севооборота они использовали из удобрения 42-56 и 28-35% поступившего в почву количества калия.

Удвоение дозы азота в  составе полного минерального удобрения положительно влияло на уровень калийного питания растений. Изучение последействия калийного удобрения на десяти последующих культурах севооборота, в числе которых четыре года возделывались многолетние злаковые травы, с внесением азота, показало, что по мере повышения обеспеченности азотом посевы усваивали не только все количество калия, внесенного под предшествующие культуры, но и значительную часть почвенных запасов этого элемента питания. При этом до 90% калия, потребляемого культурами севооборота в последействии калийного удобрения, приходилось на долю усвоения многолетними злаковыми травами, способными использовать его из всей почвенной толщи. В итоге суммарный вынос калия посевами в прямом действии и последействии одинарной и двойной доз калийного удобрения за 15-летний период возрастал по мере увеличения количества вносимого азота соответственно от 544 до 753 и 832 кг/га и от 673 до 959 и 1029 кг/га, что в 1,5-2 раза превышало поступление калия в почву с удобрением.

Известно, что при систематическом  применении в качестве калийного  удобрения хлорида калия в почву привносится значительное количество хлора, избыток которого нежелателен для некоторых культур. Так, высокая концентрация хлора в почве вызывает снижение крахмалистости клубней картофеля и делает его менее устойчивым к вирусной инфекции [Mengel, 1972]. С дозой 60 кг/га на К₂0 вносится 48 кг/га хлора, при суммарном поступлении в севообороте 720 кг/га К20 это составляет 576 кг/га хлора. Принято считать, что на почвах с промывным водным режимом большая часть хлора, поступающего с хлорсодержащими калийными удобрениями, применяемыми, как правило, под зяблевую вспашку, вымывается из корнеобитаемого слоя в осенний и ранневесенний периоды. Результаты наших наблюдений за миграцией этого элемента в двухметровой толще серой лесной почвы,.. длительно удобряемой КСl, не подтвердили это положение (рис. 3). Распределение хлора по почвенному профилю было аналогичным распределению нитратов [Никитишен, 1984] с максимумом в слое 40-120 см, сформировавшимся после зимнего промерзания почвы, и количественно соответствовало внесенному с удобрением (582 кг/га в апреле 1977 г.). Под посевами многолетних злаковых трав в июне 1977 г. содержание его в изучаемой толще почвы не изменялось (585 кг/га), а к осени понижалось до 414 кг/га, что было связано с вымыванием хлора глубже двух метров (за июль-август выпало 119 мм осадков).

Представление о том, влияет ли избыточное накопление хлора в  почве на продуктивность посевов, можно  составить по результатам исследований на Калужской опытной станции - выявлена тенденция к снижению урожая клубней картофеля при удвоении дозы калийного удобрения от 111-169 до 107-153 ц/га. Более ощутимая отрицательная реакция на внесение хлористого калия в повышенном количестве отмечена для посевов озимой пшеницы и кукурузы, выращиваемых в полевых опытах на Экспериментальной полевой станции Института [Никитишен и др., 1994а, 1996а]. При этом падение урожая озимой пшеницы наблюдалось, как правило, в случае применения калийного удобрения на фоне только азота и в опытах 1988, 1989, 1993 и 1998 гг. выражалось в недоборе зерна в 5,2-10,1 ц/га. Отрицательное действие повышенных доз калийного удобрения на продуктивность кукурузы в полевых опытах 1986, 1989 и 1995 гг. проявилось при использовании его в сочетании с азотом и фосфором. Снижение урожая сухой надземной биомассы этой культуры достигало 9-20 ц/га. Эти данные свидетельствуют о необходимости контролировать поведение хлора в почве, высокая концентрация которого отрицательно влияет на формирование продуктивности отдельных культур севооборота.

3 Взаимодействие природных  и антропогенных факторов, определяющих  миграцию нитратов в почве

Лизиметрические исследования, проведенные отечественными и зарубежными  исследователями, показали, что нисходящее передвижение легкоподвижных соединений питательных веществ по профилю почвы определяется взаимодействием ряда природных и антропогенных факторов, в числе которых первостепенное значение имеют количество и распределение атмосферных осадков в течение вегетационного периода, гранулометрический состав почвы, вид выращиваемой культуры, степень использования посевами питательных веществ, дозы, сроки и способы внесения минеральных удобрений в агроценозах. В обстоятельном обзоре литературы по этой проблеме А.В. Петербургский с соавторами [1976] детально проанализировали основные закономерности миграции биофильных элементов в почвах - одного из нежелательных явлений, сопутствующих интенсификации современного земледелия. Они обосновали необходимость усилить исследования в этом направлении, чтобы сформировать объективное представление о количестве вымывающихся из почвы питательных веществ и их доле в структуре баланса в агроценозах различного типа.

По инициативе А.В. Петербургского в Институте агрохимии и почвоведения АН СССР (ныне Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН) в 1975 г. начали изучать миграцию азотных соединений в серой лесной почве на базе лизиметров с ненарушенной структурой и стационарных полевых опытов с внесением возрастающих доз азотного удобрения в севооборотах. Первые же результаты этих исследований позволили заключить, что опыты в лизиметрах следует сочетать с проведением систематических наблюдений за режимом передвижения минеральных соединений азота в почве и подстилающем ее грунте на глубину до 300 см. Последнее дает информацию не только о количестве вымывшегося азота, но и позволяет проследить за дальнейшим поведением его в почвенном профиле, оценить доступность растениям и действительные потери. Используя бурение почвы в условиях стационарных полевыx опытов, обнаружили новое явление и вскрыли механизм формирования глубокопочвенного нитратного максимума при длительном внесении азотного удобрения на промерзающих почвах с периодически промывным водным режимом. Установлено, что при взаимодействии нисходящего (в теплый период года) и нисходящего (при промерзании почвы) потоков влаги и усвоении минерального азота преимущественно из верхних горизонтов почвы в толще 40-160 см, соответствующей глубине промерзания в Южном Нечерноземье, происходит повышенное накопление нитратов, достигающее 360 кг/га азота.

За 25-летний период проведения стационарных полевых опытов (1972-1996 гг.) количество атмосферных осадков, выпадающих в теплое время года (апреля-октябрь) в зоне распространения серых лесных почв, значительно варьировало от 264 до 562 мм, причем соотношение лет с различной влагообеспеченностью складывалось примерно в одинаковой пропорции: из 25 лет 8 (1972, 1975, 1977, 1983, 1987, 1988, 1992, 1995) были засушливыми в вегетационный период (264-349 мм), такое же число лет (1974, 1976, 1977, 1978, 1979, 1980, 1984, 1994) характеризовалось умеренной влагообеспеченностью, обусловленной выпадением в теплое время года 388-436 мм дождей. В остальные годы (1973, 1981, 1982, 1985, 1986, 1989, 1990, 1991, 1993) складывался режим достаточного увлажнения благодаря поступлению в почву от 468 до 562 мм осадков за апрель-октябрь. Таким образом, благоприятные условия для глубокого промачивания почвы в изучаемый период складывались с периодичностью по меньшей мере раз в три года, что способствовало проявлению нисходящего передвижения нитратов по почвенному профилю и накоплению их в глубоких горизонтах. Это было обнаружено уже на пятый год проведения стационарного полевого опыта (1972-1976 гг.) при поступлении в почву 300, 600 и 900 кг/га азота удобрения, 59, 45 и 34% которого усваивалось растениями, глубже 0-40-сантиметрового слоя мигрировало 11, 112 и 274 кг/га нитратного азота, что составило 4, 19 и 30% от его внесенного количества.

Прежде чем оценить  роль фактора промерзания в перераспределении  вымывшихся нитратов по профилю почвы, отметим некоторые закономерности этого явления. Как уже упоминалось, за период исследований глубина промерзания почвы колебалась от 15 до 152 см и находилась в прямой зависимости от суммы среднемесячных отрицательных температур воздуха и в обратной связи с количеством осадков, выпадающих в виде снега в холодное время года. Восемь зим (1974/75, 1980/71, 1982/83, 1988/89, 1989/90, 1990/91, 1991/92, 1994/95) из 24-х, в которые сумма среднемесячных отрицательных температур воздуха составляла 13,1-22,4 °С, а количество выпавшего снега составляло 174-336 мм, характеризовались минимальным промерзанием почвы, не превышающим 15-47 см. За такое же число зим (1976/77, 1979/80, 1981/82, 1983/84, 1985/86, 1992/93, 1993/94, 1995/96) наблюдалось промерзание почвы лишь на глубину 60-90 см, что было обусловлено более холодной зимой с суммой отрицательных температур 22,2-41,9 °С и меньшим количеством осадков в холодное время года (148-243 мм). Максимальное промерзание почвы, равное 95-152 см, также отмечено в течение восьми зим (1972/73, 1973/74, 1975/76, 1977/78, 1978/79, 1984/85, 1986/87, 1987/88), сумма отрицательных температур колебалась в пределах 28,8-45,7 °С, незначительный снежный покров, сформировался за счет выпадения 127-241 мм осадков. Следовательно, подтягивание влаги и вымывшихся нитратов к фронту промерзания почвы и аккумуляция их в зоне досягаемости корневых систем культурных растений, судя про приведенным данным, могли иметь место в каждые два года из трех за период 1972-1996 гг.

Правомерность этого предположения  подтверждается наблюдениями за миграцией  остаточного количества нитратов на фоне последействия азотного удобрения. Так, из 24, 144 и 330 кг/га нитратного азота, обнаруженного в трехметровой толще на фоне предшествующего внесения азотного удобрения, под воздействием глубокого промерзания (86-123 см) в зимние периоды 1976/77, 1977/7-8, 1978/79 и 1979/80 гг., большая его часть (70-80%) концентрировалась в пределах верхних двух метров и становилась позиционно доступной корневой системе многолетних злаковых трав. За четыре года их выращивания посевы усваивали соответственно 35, 144 и 276 кг/га азота, что соизмеримо с исходным содержанием нитратов в двухметровой толще почвы.

В дальнейшем было показано, что чем глубже промерзает почва в предшествующий зимний период, тем больше вымывшихся ранее нитратов подтягивается в зону досягаемости корневой системы зерновых злаков и усваивается растениями. Максимальное количество остаточных нитратов использовано посевами ячменя в условиях наиболее глубокого промерзания почвы зимой1986/1987 гг. (152 см), когда посевы потребили до 92 кг/га азота.

Среди регулируемых факторов, определяющих масштабы и глубину  миграции нитратов в профиле серой лесной почвы, выделим уровень внесения азотного удобрения и степень использования из него азота посевами на формирование урожаев. Последнее в свою очередь сильно зависит от структуры севооборота и обеспеченности почвы подвижными фосфатами. Как показали исследования, длительное внесение 60 кг/га азота в сочетании с Р80К60 на почве с низким содержанием подвижных фосфатов в севообороте с многолетними злаковыми травами и 40 кг/га азота в севообороте с клевером не сопровождается накоплением избытка нитратов в пахотном слое. В этих условиях азот наиболее полно используется на формирование продуктивности посевов (60-70% от внесенного), остаточное количество нитратов не превышает 4%, они не вымываются за пределы верхней метровой толщи почвы. При таком уровне обеспеченности посевов азотом продуктивность севооборота с многолетними злаковыми травами составляет в среднем за год 35,7 ц/га з.е., севооборота с клевером - 36,3 ц/га. Применение 80 кг/га азота в 9-польном севообороте с клевером на почве с очень низким содержанием подвижных фосфатов (3-4 мг/100 г), будучи избыточным в 1-й ротации, оказалось сбалансированным во 2-й ротации, так как к этому времени был достигнут оптимальный фосфатный уровень почвы за счет систематического внесения фосфорного удобрения, paвный 10-12 мг/100 г. При достаточной обеспеченности посевов , фосфором наблюдалось резкое повышение коэффициента использования ими азота во 2-й ротации севооборота по сравнению с 1-й ротацией (от 26 до 77%), что сопровождалось снижением содержания остаточного количества нитратов в двухметровой толще почвы от 22 до 7% от внесенного и ростом продуктивности культур севооборота от 35,8 до 47,2 ц/га з.е. в среднем за год.