Change of physical properties of southern carbonate chernozems at various cultivation systems in Northern Kazakhstan

Full Text

Длительное экстенсивное возделывание сельскохозяйственных культур приводит к ухудшению физических свойств почв. Физические свойства почв являются одним из основных показателей почвенного плодородия, определяющих рост, развитие и урожайность сельскохозяйственных культур. Современные технологии возделывания сельскохозяйственных культур требуют многократных проходов по полю мобильной сельскохозяйственной техники и воздействия ходовых систем, что в свою очередь влияет на плотность и плодородие почв [1-4]. В настоящее время приоритет получают многочисленные приемы энергосберегающей почвозащитной обработки почв, которые позволяют экономить горюче-смазочные материалы и поддерживать почвенное плодородие. В связи с этим особое внимание уделяют изучению и управлению агрофизического состояния почв, находящихся под влиянием различных систем обработок почв на территории Северного Казахстана. Уплотняющее воздействие сельскохозяйственной техники на почву зависит от генетических особенностей почвы, контактного давления движителей на почву, возделываемой культуры, предшественника, исходной плотности почвы, а также ее влажности в момент обработки [5-7]. Цель настоящей работы охарактеризовать изменения физических свойств черноземов южных карбонатных тяжелосуглинистых при различных системах обработки почв в условиях Акмолинской области. Объектом исследования выбраны тяжелосуглинистые разновидности черноземов южных карбонатных на целинных и пахотных участках (используются в пашне более 60 лет), сформированные на покровных карбонатных легких глинах при одинаковых условиях почвообразования. Данный опыт был заложен в 1990 году. Данные исследований проводятся за период 2012-2014 гг. на целинном участке и опытных полях Казахского научно-исследовательского института зернового хозяйства (КазНИИЗХ) Дамсинского сельского округа Шортандинского района Акмолинской области в пятипольном зернопаровом севообороте, который представлен следующим чередованием сельскохозяйственных культур: пар, пшеница, пшеница, пшеница, пшеница. Территория опытного участка находится в 6 км от близлежащего целинного участка на плакорном участке слабоволнистой равнины с одинаковой абсолютной высотой 150 м над уровнем моря (топографическая съемка). В опыте изучалось влияние четырех способов обработки почв (глубокая безотвальная, минимальная безотвальная, нулевая технология и прямой посев) в сравнении с целинным участком. Изменение плотности сложения изучались на вариантах с глубокой безотвальной обработкой, минимальной безотвальной обработкой и нулевой технологией. Образцы почв, сравниваемых между собой объектов, отбирали из разрезов по генетическим горизонтам, а на плотность сложения еще дополнительно по слоям 0-10, 10-20, 20-30 см. Урожайность пшеницы в среднем за 3 года при безотвальной обработки почв составила 17,0 ц/га, минимальной обработке почв - 15,5 ц/га, нулевой технологии - 13,5 ц/га. Закладка и проведение опытов, отбор почвенных образцов, анализы и наблюдения проводили согласно общепринятым методикам [8; 9]. Важными качественными показателями агрофизических свойств почвы являются содержание физической глины и перераспределение илистых частиц, плотность сложения, влажность и пористость почвы. В пределах почвенного профиля отмечается перераспределение илистой фракции в целинных черноземах с глубины 20 см, формируя горизонт В1 с признаками иллювиального горизонта. По отношению к горизонту А превышение составляет 9,6%. Весь почвенный профиль отличается высоким содержанием крупной пыли и илистых частиц. В верхней части целинного чернозема до 60 см содержание крупной пыли варьирует сверху вниз от 37,6 до 32,4%. Почвообразующая порода по фракции крупной пыли относится к лессовидным, хотя в тоже время количество фракций крупной пыли должно быть более 30% [10], а в нашем случае значение составляет 28,0% (табл. 1).

 

Таблица 1 - Гранулометрический состав почв по слоям и генетическим горизонтам

Система обработки	№ разреза	Глубина взятия образца, см	Анализ мелкозема (частицы в процентах)
			1–0,25	0,25–0,05	0,05–0,01	0,01–0,005	0,005–0,001	<0,001	<0,01
Целина	1	А 0-10	1,78	9,00	37,60	8,80	18,00	25,00	51,80
		А 10-20	1,80	10,60	37,60	9,60	18,40	25,40	53,40
		В1 20-46	1,54	7,40	38,40	9,20	18,40	35,00	62,60
		В2 46-68	1,46	6,20	32,40	8,80	21,60	35,00	65,40
		ВС 68-90	1,40	5,00	26,80	11,20	18,80	38,20	68,20
		С 90-100	1,44	4,60	28,00	8,80	18,40	40,20	67,40
Обработка ПГ-3,5 на глубину 25-27 см	2	Ап 0-10	1,72	8,48	37,60	10,40	25,60	16,20	52,20
		Ап 10-26	1,56	7,44	32,40	10,40	19,20	29,00	58,60
		В1 26-47	1,70	7,30	29,60	10,80	19,20	31,40	61,40
		В2 47-67	1,70	6,90	26,80	12,40	18,40	33,80	64,60
		ВС 67-90	1,72	4,48	27,60	9,60	20,40	36,20	66,20
		С 90-100	1,74	8,06	25,20	9,20	17,60	38,20	65,00
Прямой посев	3	Ап 0-10	1,56	10,64	36,00	13,60	25,60	12,60	51,80
		Ап 10-26	1,32	12,88	26,00	11,60	21,20	27,00	59,80
		В1 26-47	1,08	5,92	31,20	11,20	19,60	31,00	61,80
		В2 47-68	1,48	5,52	29,20	9,20	20,40	34,20	63,80
		ВС 68-90	1,40	6,80	27,60	7,60	19,20	37,40	64,20
		С 90-100	1,46	4,74	28,80	9,60	20,80	34,60	65,00
Минимальная обработка КПШ-9 на глубину 12-14 см	4	Ап 0-10	1,44	9,16	37,60	16,00	23,20	12,60	51,80
		Ап 10-26	1,24	14,56	27,20	12,80	20,80	23,40	57,00
		В1 26-45	1,64	8,16	30,80	10,80	20,00	28,60	59,40
		В2 45-67	1,84	5,56	31,20	10,40	19,60	32,40	62,40
		ВС 67-92	1,44	7,96	26,40	8,80	18,80	36,60	64,20
		С 92-100	1,52	9,88	25,60	8,80	18,00	36,20	63,00
Нулевая технология	5	Ап 0-10	1,68	9,72	41,20	15,60	21,20	10,60	47,40
		Ап 10-26	1,96	7,84	35,60	9,60	20,40	24,60	54,60
		В1 26-45	2,28	7,12	29,20	12,00	17,60	31,80	61,40
		В2 45-66	2,16	7,24	26,00	11,60	18,80	34,20	64,60
		ВС 66-90	1,90	7,90	26,00	9,20	18,80	36,20	64,20
		С 90-100	1,54	10,26	26,40	8,40	15,60	37,80	61,80
Прямой посев, бессменная пшеница	6	Ап 0-10	0,78	1,42	42,80	14,00	24,40	16,60	55,00
		Ап 10-25	1,00	6,80	34,00	11,20	20,40	26,60	58,20
		В1 25-43	1,02	6,78	32,00	13,20	17,20	29,80	60,20
		В2 43-64	0,70	4,70	32,40	10,80	19,20	32,20	62,20
		ВС 64-85	0,76	6,24	26,40	10,80	19,20	36,60	66,60
		С 85-100	0,92	8,48	29,60	8,00	17,00	36,00	61,00

 

Все виды обработок на опытном участке пятипольного зернопарового севооборота привели к снижению илистых частиц в слое 0-10 см гумусово-аккумулятивного горизонта. Наибольший процент снижения илистой фракции отмечен при минимальной обработке и прямом посеве. Как утверждают многие ученые черноземообразованию свойственно сочетание различных по интенсивности процессов внутрипочвенного выветривания (оглинивания) и вертикального перераспределения илистой фракции, включая и органические коллоиды. Количественные проявления данных процессов обусловлены особенностями водного режима и качественного состава поглощенных катионов, а также условиями промерзания-оттаивания почвы [11; 12]. На целинном участке в гумусово-аккумулятивном горизонте содержание физической глины составляет 51,4-53,4%, тогда как в более глубоких слоях 68,2%, что свидетельствует о дифференциации профиля чернозема южного карбонатного и выделения в нем иллювиальных горизонтов. Причиной этому является проявление современного перемещения илистых частиц без их разрушения [13]. При рассмотрении влияния различных факторов на процессы внутрипочвенного выветривания был рассчитан коэффициент оглинивания, который является отношением ила в определенном горизонте к содержанию его в материнской породе [14]. При этом считается, что процесс оглинивания происходит при коэффициенте оглинивания более 1. При значениях меньше единицы имеет место миграция илистых частиц по профилю почвы, что и отмечено в исследуемом черноземе данного опытного участка. Так, например, наибольший процент илистых частиц меньше 0,001 мм отмечен в почвообразующей породе целинного участка и составляет 40,2%, в остальных горизонтах меньше (табл. 1). Распашка и дальнейшее длительное использование черноземов южных в пашне привело к перераспределению физической глины в пахотном горизонте. Так в верхнем слое 0-10 см пахотного горизонта произошло уменьшение частиц физической глины (< 0,01 мм) и ила (< 0,001 мм). Длительные механические обработки вызывают активизацию дифференциации профиля в отношении тонкодисперсных частиц на месте, где происходит их нисходящая миграция из горизонта Апах в горизонт В1 при глубокой безотвальной обработке, а при минимальной и нулевой обработке в горизонте А из слоя 0-10 см в слой 10-26 см. Данная миграция илистой фракции происходит потому, что при глубокой безотвальной обработке пахотный горизонт уходит в зиму рыхлый, при минимальной и нулевой обработке слой 0-10 см чаще всего пороховато-пылеватой структуры, ниже залегают горизонт В1 и слой 10-26 см с глыбисто-комковатой структурой и наличием в них трещин, а весной происходит быстрое таяние снега, которое вызывает кратковременный промывной тип водного режима на небольшую глубину и в связи с этим перемещение илистой фракции из верхних рыхлых горизонтов вниз по профилю по трещинам и порам. Как видно из опытных данных, изменение физических свойств черноземов южных карбонатных Акмолинской области проявляется в основном в пахотном и подпахотном горизонте, что связано с ограниченным выпадением осадков и нестабильным промывным типом водного режима. Одним из определяющих показателей физического состояния почв является плотность сложения. Плотность почвы зависит от структурности почвы, гранулометрического состава, содержания гумуса и оказывает сопротивление проникновению в почву как сельскохозяйственных орудий, так и корней растений. После проведения обработки почва становится рыхлой, затем со временем уплотняется. Слишком низкая и высокая плотность сложения почвы вредна для растений, так как в первом случае почва сильно иссушается и в ней мало воды, а во втором случае увеличивается доля влаги, недоступной для растений и затрудняется воздушный режим и потребление питательных веществ. При значительном уплотнении почв происходит деформация и ослабленный рост корневой системы. Длительное сельскохозяйственное использование черноземов привело к изменению их физических свойств, в том числе плотности сложения (табл. 2).

 

Таблица 2 - Изменение плотности сложения почвы (г/см³) в слое 0-30 см в весенне-осенний период в зернопаровом севообороте в зависимости от систем обработки почвы под пшеницу (2012-2014 гг.)

Система обработки почвы	Слой почвы, см	2012		2013		2014
		Весна - перед посевом	Осень - перед уборкой	Весна - перед посевом	Осень - перед уборкой	Весна - перед посевом	Осень - перед уборкой
ПГ-3-5, 25-27 см	0-10	1,07	1,07	1,03	1,05	1,00	1,04
	10-20	1,21	1,22	1,04	1,24	1,18	1,23
	20-30	1,26	1,31	1,14	1,33	1,26	1,30
	0-30	1,18	1,20	1,07	1,21	1,15	1,19
КПШ-9, 12-14 см	0-10	1,04	1,15	1,02	1,16	0,98	1,21
	10-20	1,18	1,29	1,27	1,31	1,29	1,32
	20-30	1,26	1,36	1,32	1,35	1,30	1,36
	0-30	1,15	1,27	1,20	1,27	1,19	1,30
Нулевая технология	0-10	1,24	1,27	1,19	1,28	1,12	1,16
	10-20	1,28	1,32	1,31	1,35	1,30	1,37
	20-30	1,32	1,36	1,29	1,38	1,31	1,39
	0-30	1,28	1,32	1,26	1,34	1,24	1,31

 

Уплотнение почвы почвообрабатывающими орудиями наблюдается во всем мире. В результате воздействия движителей и орудий обработки почвы разрушается ее структура, повышается плотность, снижается водо- и воздухопроницаемость. Многочисленные проходы техники по полю способствуют разрушению структуры сухой почвы и испарению влаги [15]. При выпадении большого количества осадков такая почва заплывает, в последующем иссушение приводит к формированию крупных глыб, плотность почв повышается и достигает 1,3-1,5 г/см³ и даже более. В наших опытах плотность сложения почвы изменялась от сезона года и от способов обработки почвы. Плотность сложения весной при всех способах обработки была меньше, чем в осенний период. Исследования показали, что в полях зернопарового севооборота плотность верхнего слоя 0-10 см в весенний период была наименьшей при глубокой безотвальной и минимальной обработке почв, при нулевой технологии плотность сложения была выше и составила 1,12-1,24 г/см³. Осенью эти показатели в черноземах южных карбонатных в слое 0-10 см остались в прежних пределах только при глубокой безотвальной обработке почв, в остальных вариантах плотность почв увеличилась до 1,15-1,21 г/см³ при минимальной обработке и до 1,16-1,28 г/см³ при нулевой технологии. При длительном применении данных обработок наиболее заметные отличия наблюдаются в слое 10-20 см, когда на варианте нулевая обработка плотность сложения почвы составила весной 1,28-1,30 г/см³, а осенью 1,32-1,35 г/см³, при минимальной обработке весной 1,18-1,29 г/см³, осенью 1,29-1,32 г/см³, что выше в сравнении с безотвальной глубокой обработкой. В слое 20-30 см усиливается уплотнение во всех видах обработки и максимум приходится на нулевую технологию. Таким образом, оптимальная плотность сложения в слое 0-30 см сохраняется на варианте при глубокой безотвальной обработке почв. Внутрипрофильное распределение основных гранулометрических фракций почв пашни незначительно отличается от целинного аналога, что свидетельствует об относительной стабильности минеральной массы черноземов южных карбонатных тяжелосуглинистых, за исключением верхнего гумусового горизонта. Ежегодные обработки почвы способствуют незначительному выносу илистой фракции из верхней части гумусово-аккумулятивного горизонта в его нижнюю часть и в горизонт В1. Наиболее сильно этот процесс выражен при нулевой и минимальной обработке почв. Все приемы обработки почвы оказывают значительное влияние на состояние физических свойств черноземов южных карбонатных тяжелосуглинистых. Наибольшее ухудшение плотности сложения почв пашни наблюдается в слое 10-20, 20-30 см при минимальной и нулевой обработке. Эти изменения свидетельствуют об ограничении использования этих обработок при тяжелом гранулометрическом составе почв, но в тоже время не могут служить полным исключением этих обработок при переходе на энергосбережение.

About the authors

Nikolay Ivanovich Vasilchenko

«Government for Citizens» Public Corporation

Email: vassilchenko-n@mail.ru

candidate of agricultural sciences, chief specialist of Scientific Production Center of Land Registry

Kazakhstan, 25, Zheltoksan street, Astana, 010000

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, 62, prospect Pobedy, Astana, 010000

References

Supplementary files