Kazakhstan black soil organic substance agrogenic transformation

Full Text

Широко известна классификация черноземов В.В. Докучаева по содержанию гумуса в верхнем горизонте и карта изогумусовых полос. Общие закономерности снижения содержания и запасов гумуса при распашке целинных черноземов России были описаны ранее в фундаментальных трудах И.В. Тюрина [1] и М.М. Кононовой [2; 3]. По Казахстану тоже имеется подобная информация. Так, анализ данных литературы и экспериментальных результатов по изменению содержания гумуса в черноземах Северного Казахстана показал, что после распашки целинных почв и при дальнейшем использовании их под посевы зерновых культур без внесения достаточного количества органических и минеральных удобрений утрачено 25–30% от его исходного содержания [4]. Представляет научный интерес оценка современной направленности динамики органического вещества за последние 25 лет трансформации пахотных черноземов Северного Казахстана.

Объектом исследования выбраны тяжелосуглинистые разновидности черноземов южных карбонатных среднемощных и черноземов обыкновенных среднемощных, сформированные на покровных карбонатных легких глинах, в условиях целины и длительных полевых опытов, заложенных на пашне, используемой более 60 лет.

Профиль исследуемых почв представлен горизонтами А (0–20 для целинного участка), А_пах (в среднем 0–25 см для пахотных участков), В₁ (25–45 см), В₂ (45–65 см), ВС (72–100 см), С (100–120 см). Отличительной особенностью южных черноземов является наличие карбонатов в верхнем слое (фиксируется вскипанием почвы от 5% раствора соляной кислоты с поверхности), в то время как в обыкновенных черноземах они проявляются на глубине 40–50 см.

Первый длительный полевой опыт Казахского научно-исследовательского института зернового хозяйства им. Бараева (КазНИИЗХ) был заложен в 1990 году на полях с. Дамса Шортандинского района Акмолинской области, а второй Карабалыкской опытной станции – в 2000 году в с. Белоглинское Карабалыкского района Костанайской области. Территория опытных пахотных участков находится в непосредственной близости от целинных в условиях слабоволнистой равнины.

В первом опыте исследования проводились в пятипольном зернопаровом севообороте (пар, пшеница, пшеница, пшеница, пшеница) и на вариантах бессменной пшеницы и бессменного чистого пара, а во втором опыте – в таком же севообороте, как и в первом опыте, в плодосменном севообороте (пар, пшеница, пшеница, горох, пшеница) и на вариантах бессменной пшеницы.

В опытах изучали влияние способов обработки почв (глубокая безотвальная, минимальная безотвальная, нулевая технология) и минеральных удобрений (табл. 1). В период отбора образцов опытные делянки находились под яровой пшеницей. Глубокая безотвальная обработка проводилась на глубину 25–27 см плугом-глубокорыхлителем (ПГ-3,5), минимальная безотвальная обработка на глубину 12–14 см – культиватором плоскорезным широкозахватным (КПШ-9). Во всех вариантах посев выполняли сеялкой зерновой стерневой (СЗС-2,1), а в варианте при нулевой обработке почв – сеялкой СЗС-2,1 с чизельными сошниками. Химическая обработка против сорняков проводилась на вариантах с минимальной обработкой и нулевой технологией за 5–6 дней до посева глифосфатом (36%) в дозе 1,5–2,0 л/га.

Закладка и проведение опытов, отбор почвенных образцов, анализы и наблюдения проводили согласно общепринятым методикам [5; 6].

Анализ данных табл. 1–3 показал, что содержание гумуса в черноземе обыкновенном значительно выше, чем таковое в черноземе южном карбонатном. Причем эти различия проявляются как в целинных, так и в пахотных (P=0,95) вариантах почв. Данное положение вполне соответствует общим закономерностям гумусонакопления в зональном ряду почв Евразии [7]. Обогащенность гумуса черноземов обыкновенных азотом (C/N) согласно классификации Л.А. Гришиной, Д.С. Орлова [8] – высокая, в то время как таковая южных черноземов в основном – низкая.

При сельскохозяйственном использовании обоих подтипов черноземов в верхнем горизонте отмечается снижение содержания гумуса по отношению к таковому целинных аналогов. Однако если в черноземе южном потери органического вещества достигают ~ 40 отн. %, то в черноземе обыкновенном – ~ 30 отн. %. Сопоставляя эти данные с результатами исследований Н.В. Ярославцевой [4, с. 96–98] можно сделать следующий вывод. В южных черноземах падение содержания гумуса на современном этапе их агрогенной трансформации (за последние 25 лет) продолжается, а в обыкновенных этот процесс практически приостановлен. Внесение минеральных удобрений (табл. 2, 3) несколько сдерживает процесс дегумусирования черноземов южных.

 

Таблица 1 – Содержание С и N в целинных и пахотных черноземах Казахстана

№ варианта	Варианты опыта	Глубина отбора, см	Гумус	Сорг	N	С/N
			% от массы почвы
Чернозем южный карбонатный, длительность полевого опыта – 25 лет, Акмолинская область, КазНИИ зернового хозяйства им. Бараева
1	Целина	0–20	4,64	2,69	0,195	13,8
2	Зернопаровой севооборот, IV КПП***, без удобрений, обработка ПГ-3,5 на глубину 25–27 см	0–26	2,77	1,61	0,150	10,7
3	То же, без удобрений, без обработки	0–26	2,85	1,65	0,155	10,7
4	То же, без удобрений, обработка КПШ-9 на глубину 12–14 см	0–26	2,85	1,65	0,145	11,4
5	То же, без удобрений, нулевая технология	0–26	2,83	1,64	0,165	9,9
6	То же, I КПП*, N30P20, плоскорезная обработка на глубину 25–27 см	0–25	3,07	1,78	0,195	9,1
7	То же, II КПП**, N30P20, плоскорезная обработка на глубину 25–27 см	0–25	2,99	1,73	0,155	11,2
8	Бессменная яровая пшеница, без удобрений, без обработки, без гербицидов	0–25	2,71	1,57	0,150	10,5
9	Бессменная яровая пшеница, N30P20, плоскорезная обработка на глубину 25–27 см	0–26	2,72	1,58	0,185	8,5
10	Бессменный чистый пар, без удобрений, без гербицидов	0–25	2,60	1,51	0,125	12,1
Чернозем обыкновенный, длительность полевого опыта – 15 лет, Костанайская область, Карабалыкская опытная станция
11	Целина	0–20	5,74	3,33	0,420	7,9
12	Бессменная яровая пшеница, N30Р20, плоскорезная обработка на глубину 25–27 см	0–25	4,42	2,56	0,335	7,6
13	То же, N30, плоскорезная обработка на глубину 25–27 см	0–27	4,03	2,34	0,305	7,7
14	Плодосменный севооборот, IV КПП***, N30, нулевая технология	0–25	3,99	2,31	0,305	7,6
15	То же, N30Р20, нулевая технология	0–25	4,40	2,55	0,345	7,4
16	Зернопаровой севооборот, I КПП*, без удобрений, обработка на глубину 25–27 см	0–27	3,80	2,20	0,265	8,3

Примечание. I КПП* – первая культура после пара, II КПП** – вторая культура после пара, IV КПП*** – четвертая культура после пара.

 

Как известно, максимальные потери гумуса достигаются при длительном бессменном чистом паровании почв, что также зафиксировано нами и в 25-летнем полевом опыте КазНИИ зернового хозяйства им. Бараева. Согласно М. Кёршенсу [9] в таких условиях устанавливается уровень минимального содержания гумуса. Располагая значением минимального содержания гумуса и величинами межлабораторных допустимых расхождений этого параметра можно построить шкалу гумусированности чернозема южного карбонатного Казахстана: меньше минимального содержания гумуса – <2,0–2,6, слабогумусированные – 2,6–3,5 среднегумусированные – 3,5–4,6, сильногумусированные – >4,6, аналогичную предложенной Б.М. Когутом [10] для пахотных почв России.

Следует отметить, что пахотные южные черноземы в соответствии с данными этой статьи, полученными в 2015 году, попадают в градацию «слабогумусированные», в то время как обобщенные результаты исследований Н.П. Масютенко с соавт. [11] и Б.М. Когута с соавт. [12] свидетельствуют о более высокой гумусированности этих почв на тот период исследований, и относятся к классу «среднегумусированных». Последний вывод вполне согласуется с отмеченным выше выводом о продолжающемся снижении содержания гумуса в пахотных черноземах южных в последние 20–25 лет.

В соответствии с М. Кёршенсом [9] валовый органический углерод почвы состоит из инертного, практически не участвующего в процессах превращения, и трансформируемого органического углерода. Инертная фракция в основном зависит от условий местообитания и гранулометрического состава почв, а разлагаемая фракция, которая легко трансформируется в почвах, от условий хозяйствования. Содержание инертного гумуса близко понятию минимального, которое можно определить в условиях длительного (>20 лет) бессменного чистого парования почвы.

На рис. 1 видно, что содержание инертного углерода на черноземе южном карбонатном Северного Казахстана составляет 1,5% от массы почвы. Максимальное содержание трансформируемого органического углерода (1,2% от массы почвы) фиксируется на целинном участке, где в почву поступает наибольшее количество свежего органического вещества. На пахотных вариантах чернозема южного содержание трансформируемого органического углерода значительно ниже, чем на целине, и колеблется в интервале от 0,06 до 0,27% (от массы почвы), при этом минимальные значения отмечаются на вариантах «бессменной яровой пшеницы».

 

Таблица 2 – Статистические характеристики по содержанию гумуса, органического углерода и азота в черноземах южных и обыкновенных при различных системах их сельскохозяйственного использования

Вариант опыта	M (% от массы почвы)	S	m	V, %
Чернозем южный карбонатный пахотный:
гумус Сорг N	2,85 1,65 0,16	0,13 0,07 0,02	0,04 0,03 0,01	4,4 4,4 11,2
Зернопаровой севооборот, без удобрений:
гумус Сорг N	2,83 1,64 0,15	0,04 0,02 0,01	0,02 0,01 0,00	1,3 1,2 5,6
Зернопаровой севооборот, с внесением удобрений (N30P20):
гумус Сорг N	3,03 1,76 0,18	0,06 0,04 0,03	0,04 0,03 0,02	1,9 2,0 16,2
Бессменная яровая пшеница:
гумус Сорг N	2,72 1,58 0,17	0,01 0,01 0,02	0,01 0,01 0,02	0,3 0,4 14,8
Чернозем обыкновенный пахотный:
гумус Сорг N	4,13 2,39 0,31	0,27 0,16 0,03	0,12 0,07 0,01	6,6 6,6 10,1

Примечание. М – среднее арифметическое значение, S – стандартное отклонение, m – ошибка стандартного отклонения, V – коэффициент вариации.

 

Выявлены некоторые особенности современной агрогенной трансформации почвенного органического вещества Северного Казахстана на основании результатов исследований содержания Cорг и N в верхнем слое (в основном 0–25 см) черноземов в условиях длительных полевых опытов за последние 25 лет. Установлено, что в настоящее время в результате воздействия различных способов обработки черноземов южных замедляются темпы снижения содержания гумуса по сравнению с таковыми предшествующего периода их сельскохозяйственного использования, но практически они, в т.ч. и плоскорезные обработки, не приостанавливают процесс дегумусирования. Содержание гумуса в почвах на вариантах с бессменной яровой пшеницей уже близко таковому на бессменном чистом пару. Имеются достаточные основания предполагать, что причиной дегумусирования черноземов южных могут выступать как биохимические (минерализация), так и физические (дефляция) потери гумуса. Особую опасность представляет ветровая эрозия, в результате которой гумус может снижаться ниже минимального его содержания, т.е. за счет убыли трудновосполнимой инертной части [13].

 

Таблица 3 – Оценка достоверности различий по содержанию гумуса, С_орг и азота в черноземах различных вариантов полевого опыта

Показатель, t-критерий	Варианты сравнения
	Чернозем обыкновенный – Чернозем южный карбонатный	Зернопаровой севооборот, N30P20 – Зернопаровой севооборот, без удобрений (чернозем южный карбонатный)	Зернопаровой севооборот, без удобрений – Бессменная яровая пшеница без удобрений (чернозем южный карбонатный)
Гумус, tфакт	4,27**	2,77*	2,67
Сорг, tфакт	4,24**	2,68*	2,68
N, tфакт	4,16**	0,95	0,89

Примечание. Различия значимы при уровнях вероятности Р = 0,90 * и Р = 0,95 **.

 

На восстановление запасов инертной части гумуса в верхнем слое черноземов на основании данных радиоуглеродного датирования по самым приблизительным оценкам потребуется не менее 1,0–1,5 тысячи лет [14; 15].

 

Рисунок 1 – Содержание инертного и трансформируемого органического углерода. Примечание. Обозначения вариантов опыта те же, что и в табл. 1

 

На пахотных обыкновенных черноземах в последний период их агрогенного использования предположительно потерь гумуса не наблюдается. Вероятно, это связано с тем, что изучаемые полевые участки Карабалыкской опытной станции защищены лесополосами, препятствующими ветровой эрозии, в отличие от таковых Казахского НИИ зернового хозяйства им. Бараева.

Требуется проведение дальнейших экспериментальных исследований органического вещества пахотных черноземов Северного Казахстана для подтверждения высказанных положений о направленности процессов гумусообразования. Кроме того, необходима закладка делянок бессменного чистого пара в условиях длительных полевых опытов Казахстана.

About the authors

Akhylbek Kazhigulovich Kurishbayev

S. Seifullin Kazakh Agro-Technical University

Email: agun.rektor@gmail.com

doctor of agricultural sciences, professor, chairman of the board

Kazakhstan, Astana

Grigoriy Aleksandrovich Zvyagin

S. Seifullin Kazakh Agro-Technical University

Author for correspondence.
Email: regor1984111@rambler.ru

doctoral candidate of the Chair of Soil Science and Agricultural Chemistry

Kazakhstan, Astana

Nadezhda Vasilevna Yaroslavtseva

V.V. Dokuchaev Soil Science Institute

Email: yaroslavtseva_nv@esoil.ru

candidate of agricultural sciences, researcher of the Department of Soil Biology and Biochemistry

Russian Federation, Moscow

Boris Maratovich Kogut

V.V. Dokuchaev Soil Science Institute

Email: kogutb@mail.ru

doctor of agricultural sciences, head of the Department of Soil Biology and Biochemistry

Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files