Management of soil organic matter regime in biologization of agriculture

封面

如何引用文章

全文:

详细

All related research was conducted from 2010 to 2022 in the Belgorod region, located in the south-west of the Central Chernozem region (CCR). The goal of this study was to analyze the effects of introducing agriculturally biologized elements into arable soils on the organic matter content of those same soils. It was determined, that compared to their virgin counterparts, unwashed arable chernozems, typical and leached, had lost about 39.8–42.0% of their organic matter due to long-term agricultural use. In comparison to 2010–2014, the level of organic fertilizer input had doubled to 9,6 t/ha in 2019–2022, while the area of green manure cultures had increased by a factor of 2.56 to 317 thousand ha/year. Concurrently to the aforementioned years, the by-product output increased by 18.8–37.6% (depending on the crop), reaching levels between 2.07–10.3 t/ha, due to an increase in agricultural yield. The area of ley farms decreased by a factor of 2.73 down to 47.1 thousand ha/year. Additionally, a wide percentage of the Belgorod region have implemented low tillage technology usage, including no-till and executed complex anti-erosion activities. As a result of that, in 2019–2022, the average content of organic matter in the arable layer of soils went up by 0.3% (to 5.3%), while reserve by 9 t/ha (to 159 t/ha). Each hectare of the cultivated areas on average accumulated 19 carboxylic units, thereby making it worth about 19 thousand rubles. The percentage of soils, which contain 6.1–8.0% of organic matter, rose to 20.0%, while those containing 2.1–4.0%, were reduced to 10.9%.

全文:

В соответствии с традиционными представлениями органическое вещество почвы – это совокупность всех органических веществ, находящихся в форме гумуса, остатков животных и растений. Его часть (85…90%), представленная совокупностью специфических и неспецифических органических веществ почвы, за исключением соединений, входящих в состав живых организмов и их остатков, называется гумусом. [6] Использование термина «гумус» в последнее десятилетие вызывает много дискуссий в связи с выходом работы известных зарубежных ученых И. Лехмана и М. Клебера. Они предложили отказаться от его применения, поскольку в почве обнаруживаются только продукты разложения органических веществ на разных этапах этого процесса. [1, 13]

Согласно классическим представлениям В.В. Докучаева и П.А. Костычева, органическое вещество – важнейший качественный признак, который отличает почву от мертвой материнской породы. [1, 2] Гумусовый слой почв планеты нередко называют особой энергетической оболочкой – гумусосферой. [5] Энергия, накапливаемая в этом слое, – основа существования и эволюции жизни на Земле.

Органическое вещество почвы – мощный геохимический аккумулятор углерода и во многом определяет параметры круговорота этого элемента в природе. Одна из важнейших экологически обусловленных задач современности – депонирование углерода атмосферы в биомассе наземных экосистем и длительная его консервация.

В составе органического вещества сосредоточено около 90% азота почвы, значительное количество макро-, мезо- и микроэлементов. Поэтому в экстенсивных системах земледелия, которые характеризуются низким уровнем использования минеральных удобрений, от величины данного параметра во многом зависит пищевой режим почв. В пахотном слое черноземов Белгородской области содержание органического вещества тесно коррелирует (R=0,95) с концентрацией легкогидролизуемого азота. [8]

От уровня содержания органических веществ зависят такие параметры почвы, как цвет и альбедо, температура, влагоемкость, структура, температура, емкость катионного обмена (ЕКО). При высоком уровне содержания органического вещества в почвах снижаются миграционные потери элементов питания и подвижность тяжелых металлов, увеличивается микробиологическая активность, усиливается детоксикация остаточного количества пестицидов.

Дегумификация пахотных почв – одна из самых острых и масштабных экологических проблем земледелия. Низкое содержание органического вещества имеют 52% пахотных почв. [11, 14]

Реализация мероприятий, направленных на повышение содержания органического вещества, – важнейшая задача современного земледелия, способствующая повышению качества почв и продуктивности агроценозов.

Цель работы – обобщить и проанализировать результаты внедрения элементов биологизации земледелия на содержание органического вещества в почвах пашни.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследования проводили в Белгородской области, территория которой включает лесостепную и степную природные зоны. Черноземы типичные и выщелоченные преобладают в лесостепной зоне, обыкновенные – в степной. Доля эродированной пашни составляет 47,9%. [9]

Климат зоны – умеренно континентальный. Величина гидротермического коэффициента (ГТК) по Селянинову изменяется от 0,9 на юго-востоке до 1,2 на западе области.

В качестве объекта фонового мониторинга был выбран незатронутый хозяйственной деятельностью (целинный) участок – Ямская степь государственного заповедника Белогорье, расположенный на севере лесостепной зоны в муниципальном образовании (МО) «Губкинский городской округ».

В статье использованы материалы 9 цикла (2010–2014 годы), 10 (2015–2018) и 11 (2019–2022) сплошного агрохимического обследования пахотных почв, проводимого центром агрохимической службы «Белгородский». В течение каждого цикла обследовали всю площадь пашни области и анализировали около 70 тыс. проб. В почвенных пробах, отбираемых из пахотного слоя с элементарных участков площадью 15…20 га, определяли содержание органического вещества по методу Тюрина (ГОСТ 26213–2021). [10]

Математическую обработку данных проводили автоматически с помощью программного комплекса ГИС «Агроэколог Онлайн». [15, 16] В работе рассмотрены опубликованные материалы Федеральной службы государственной статистики. [12]

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Содержание органического вещества в целинных почвах обусловлено особенностями почвообразовательного процесса. Черноземные почвы на территории области сформировались под травянистой растительностью в послеледниковое время – 9…12 тыс. лет назад. В верхнем слое гумусово-аккумулятивного горизонта фоновых черноземов выщелоченных и типичных содержится 9,7 и 10,1% органического вещества соответственно. [5] Наиболее интенсивно дегумификация происходит в течение первого десятилетия после распашки целинных почв, при этом потери органического вещества могут достигать 30% исходного содержания. Впоследствии его содержание стабилизируется. [8, 11]

В результате длительного сельскохозяйственного использования количество органического вещества в пахотном слое несмытых черноземов выщелоченных и типичных на территории МО «Губкинский городской округ», прилегающей к заповедному участку Ямская степь, снизилось до 5,84…5,86%. Пахотные черноземы потеряли 39,8…42,0% органического вещества от исходного в целинных аналогах. Слабосмытые черноземы выщелоченные и типичные в зависимости от экспозиции склона содержат 4,92…5,18% органического вещества. Существенных различий по данному показателю между подтипами черноземов не установлено. По сравнению с несмытыми целинными аналогами, в слабосмытых черноземах он ниже на 48,4…49,9% (табл. 1). Наблюдается тенденция роста показателя в почвах холодных (северные) склонов, по сравнению с нейтральными (западные, восточные) и особенно теплыми (южные).

 

Таблица 1. Содержание органического вещества в пахотном слое черноземов типичных и выщелоченных МО «Губкинский городской округ»

Степень смытости

Экспозиция

x– ± t05s x–

lim

V, %

n

Чернозем выщелоченный

Несмытые

плакор

5,84 ± 0,10

5,1…6,8

7,1

65

Слабосмытые

западная, восточная

5,00 ± 0,37

3,7…6,5

15,0

17

Слабосмытые

южная

4,92 ± 0,27

3,6…6,4

11,3

23

Слабосмытые

северная

5,10 ± 0,32

3,5…6,7

13,2

26

Чернозем типичный

Несмытые

плакор

5,86 ± 0,11

5,1…6,8

7,3

69

Слабосмытые

западная, восточная

5,02 ± 0,31

3,7…6,0

12,1

17

Слабосмытые

южная

4,97 ± 0,24

2,7…5,9

14,4

36

Слабосмытые

северная

5,18 ± 0,16

3,4…6,4

10,9

52

 

В 2011 году правительством Белгородской области был взят курс на биологизацию земледелия, основная цель которой – создание условий для самовосстановления почв за счет биологических факторов и увеличения продуктивности агроценозов как минимум в полтора раза. [7]

В связи с тем, что землепользователи осуществляют хозяйственную деятельность в неодинаковых почвенно-климатических условиях, имеют разную специализацию и материально-технические возможности, для них разрабатываются проекты адаптивно-ландшафтных систем земледелия и охраны почв (АЛСЗ), содержащие конкретные планы мероприятий по биологизации, в том числе формированию бездефицитного баланса органического вещества почв. [4]

Структура, срок действия, механизм согласования и реализации этого важного природоохранного документа были регламентированы постановлением губернатора Белгородской области № 9 от 4 февраля 2014 года «Об утверждении Положения о проекте адаптивно-ландшафтной системы земледелия и охраны почв». Вопросы регулируются постановлением Правительства Белгородской области от 25 апреля 2022 года № 249-пп «Об утверждении Положения о проекте адаптивно-ландшафтной системы земледелия и охраны почв».

Белгородская область располагает развитым животноводством и большими ресурсами органических удобрений, которые необходимо экономически выгодно и экологически безопасно использовать для повышения плодородия почв. В зернопропашных севооборотах Центрального Черноземья дозы внесения подстилочного навоза крупного рогатого скота (КРС) для формирования бездефицитного баланса органического вещества почв находятся в пределах от 6 до 8 т/ га севооборотной площади. В зернотравяных и травяно-зерновых севооборотах с долей многолетних трав более 40% положительный баланс органического вещества формируется на основе поступления большого количества растительных остатков, сокращения минерализации и смыва почвы. [8]

В 2010–2014 годах в среднем на гектар общей посевной площади вносили 4,8 т органических удобрений, 2015–2018 – 8,1, 2019–2022 – 9,6 т. [16] Из каждой тонны подстилочного навоза КРС в почве образуется 36…60 кг органического вещества. [3] Площадь посева многолетних трав в 2010–2022 годах – 79,2…95,8 тыс. га, площадь травяно-зерновых севооборотов, в которых накопление органического вещества почвы возможно без использования органических удобрений, по нашим оценкам, составляла 198…240 тыс. га.

По уровню использования органических удобрений Белгородская область – лидер в России. [8] Однако в связи с тем, что их технически сложно и экономически невыгодно вносить на поля, удаленные от места размещения животноводческих комплексов, правительством области была реализована программа софинансирования затрат на возделывание сидеральных культур. Пожнивные сидераты – посевы горчицы белой и редьки масличной. По содержанию органического вещества 1 т биомассы крестоцветных сидератов приравнивается к 0,7 т навоза КРС. [3] До реализации программы биологизации земледелия посевы сидератов в области практически не применяли (табл. 2). В 2010–2014 годах их высевали на площади 124 тыс. га/ год, 2015–2018 – 303, 2019–2022 – 317 тыс. га/год (22 % общей посевной площади).

 

Таблица 2.Динамика площади посева основных сельскохозяйственных культур, сидератов и чистых паров, тыс. га

Культура

Годы

2010–2014

2015–2018

2019–2022

Общая посевная площадь

1376,0

1428,5

1440,4

Чистые пары

128,6

64,7

47,1

Сидеральные культуры

124

303

317

Озимая пшеница

272,5

361,3

397,5

Яровой ячмень

231,0

173,1

107,9

Подсолнечник

170,3

139,8

165,9

Кукуруза на зерно

132,9

145,6

123,8

Соя

105,4

208,6

282,8

Многолетние травы

81,3

95,8

79,2

Сахарная свекла

92,0

71,0

54,7

 

Важное значение для восполнения запасов почвенного органического вещества имеет побочная продукция сельскохозяйственных культур, оставляемая на полях после уборки урожая. В Белгородской области на протяжении последних десятилетий предпринимали жесткие административные меры, направленные на недопущение сжигания соломы. По содержанию органического вещества 1 т соломы приравнивается к 3,6 т навоза КРС. [3] По уравнениям регрессии мы рассчитали выход побочной продукции в зависимости от урожайности основных сельскохозяйственных культур, возделываемых в Белгородской области (табл. 3). В 2019–2022 годах, по сравнению с 2010–2014, поступление побочной продукции озимой пшеницы увеличилось на 1,24 т/га сухого вещества (22,9%), ячменя – 0,99 (31,2), кукурузы – 2,59 (33,6), сои – 0,47 (29,4), сахарной свеклы – 0,88 т/га (18,8%).

 

Таблица 3. Динамика урожайности и выхода побочной продукции сельскохозяйственных культур, т/га

Культура

Годы

2010–2014

2015–2018

2019–2022

отклонение 2019–2022 к 2010–2014

т/га

%

Урожайность основной продукции

Пшеница озимая

3,54

4,50

5,09

1,55

43,8

Ячмень яровой

2,72

3,46

3,82

1,10

40,4

Кукуруза на зерно

4,97

6,65

7,15

2,18

43,9

Подсолнечник

2,10

2,66

3,00

0,90

42,9

Соя

1,60

2,13

2,07

0,47

29,4

Сахарная свекла

36,8

44,1

45,6

8,80

23,9

Выход побочной продукции

Пшеница озимая

5,42

6,19

6,66

1,24

22,9

Ячмень яровой

3,17

3,83

4,16

0,99

31,2

Кукуруза на зерно

7,71

9,73

10,3

2,59

33,6

Подсолнечник

4,31

5,32

5,93

1,62

37,6

Соя

1,60

2,13

2,07

0,47

29,4

Сахарная свекла

4,68

5,41

5,56

0,88

18,8

 

За годы реализации программы биологизации в области существенно сократилась площадь чистых паров (со 128,6 тыс. га в 2010–2014 годах до 47,1 тыс. га в 2019–2022) и увеличилась общая посевная площадь. Размер потерь органического вещества почв под чистыми парами в результате некомпенсированной минерализации оценивается в 3 т/га (0,02 % запасов). По нашему мнению, наличие чистых паров, особенно в лесостепной зоне ЦЧР, противоречит принципам биологизации земледелия.

Размеры минерализации органического вещества снижаются при переходе от традиционной вспашки к минимальным способам обработки почвы, в том числе технологии прямого сева. В Белгородской области прямой посев проводят на 24% всей посевной площади и, в первую очередь, в звене севооборота соя-озимая пшеница.

В последние годы проявлен большой интерес к внедрению системы no-till (полный отказ от обработок почвы в севообороте). Ее применяют на 12% общей посевной площади. [5] Например, в ООО «Мясные Фермы – Искра» при многолетнем использовании системы no-till без внесения органических удобрений содержание органического вещества в почвах увеличилось с 2018 по 2022 годы в среднем на 0,14%.

Самая масштабная экологическая проблема в земледелии Белгородской области – развитие водной эрозии почв. По МО доля эродированных пахотных почв – 23…66%, величина ежегодных потерь органического вещества со смытой почвой – 0,16…0,28 т/га. [11]

Поэтому в проектах АЛСЗ особое внимание уделяют разработке комплекса противоэрозионных мероприятий и дифференцированному размещению севооборотов различной специализации по элементам ландшафта в зависимости от степени проявления эрозионных процессов. На большей части слабосмытых и всей площади средне- и сильносмытых почв размещают почвозащитные севообороты с высокой долей многолетних трав. Сильносмытые почвы с выходом на поверхность меловых пород часто отводят под постоянное залужение или облесение. Популярна в области практика залужения крупных водотоков.

Освоение проектов АЛСЗ привело к резкому увеличению объемов лесомелиоративных работ, созданию водорегулирующих, прибалочных и приовражных лесополос. В среднем за 2013–2021 годы лесомелиоративные мероприятия ежегодно проводили на площади 6,7 тыс. га. На склоновых землях используют различные агротехнические приемы, направленные на сокращение смыва почвы.

В результате осуществления мероприятий по регулированию режима органического вещества средневзвешенная величина данного параметра в пахотных почвах возросла с 5,0 (2010–2014) до 5,3% (2019–2022). Увеличение содержания органического вещества на 0,3% соответствует росту его запасов в пахотном слое массой 3 тыс. т/га на 9 т/га, в которых депонируется 5,2 т/га углерода, что эквивалентно 19 углеродным единицам (19 т CO2). За период исследований их накопление на всей площади пашни области составило около 28,26 млн ед. (общая рыночная стоимость – 28,26 млрд руб.).

В 2019–2022 годах доля почв с повышенным содержанием органического вещества (6,1…8,0%) возросла до 20,0%, с низким (2,1…4,0%) – сократилась до 10,9%. Преобладающие (68,9%) – пахотные почвы с его количеством в пределах 4,1…6,0% (табл. 4). Средневзвешенное содержание органического вещества в почвах МО – 4,07 (Грайворонский район) ... 6,03% (Прохоровский), в зависимости от условий почвообразования.

 

Таблица 4. Динамика обеспеченности пахотных почв органическим веществом, % обследованной площади

Показатель

Цикл/годы

9

2010–2014

10

2015–2018

11

2019–2022

Средневзвешенное содержание, %

5,0

5,2

5,3

Распределение по группам обеспеченности, % обследованной площади

очень низкое (<2,0%)

0,4

0,4

0,1

низкое (2,1…4,0%)

14,5

13,1

10,9

среднее (4,1…6,0%)

77,0

70,6

68,9

повышенное (6,1…8,0%)

8,1

15,9

20,0

 

В Центральном Черноземье наиболее высокое его средневзвешенное содержание характерно для пахотных почв Тамбовской области (6,5%), в ее южной части («Мордовский район») – 7,3%. Самое низкое содержание органического вещества установлено в почвах пашни Курской области (4,7%), в ее западной части («Хомутовский район») – 3,3%. Отмеченные различия обусловлены особенностями почвообразовательного процесса. [8]

Выводы. Несмытые пахотные черноземы типичные и выщелоченные в результате длительного сельскохозяйственного использования потеряли 39,8…42,0% органического вещества, по сравнению с целинными аналогами. В 2019–2022 годах уровень внесения органических удобрений был в два раза больше, чем в 2010–2014 и достиг 9,6 т/га, площадь посева сидеральных культур выросла в 2,56 раза (до 317 тыс. га/год). За эти же годы в связи с ростом урожайности сельскохозяйственных культур выход побочной продукции увеличился на 18,8…37,6% (2,07…10,3 т/га). Площадь чистых паров сократилась в 2,73 раза до 47,1 тыс. га/год. В области внедряются минимальные технологии обработки почвы, в том числе no-till, и реализуются комплексные противоэрозионные мероприятия. В 2019–2022 годах средневзвешенное содержание органического вещества в пахотном слое почв увеличилось на 0,3% (до 5,3%), запасы – на 9 т/ га (до 159 т/ га). На каждом гектаре посевной площади в среднем накопилось 19 углеродных единиц рыночной стоимостью 19 тыс. руб. Доля почв, содержащих органическое вещество в пределах 6,1…8,0%, возросла до 20,0%, 2,1…4,0% – уменьшилась до 10,9%.

×

作者简介

E. Savchenko

Russian Academy of Sciences

Email: serg.lukin2010@yandex.ru

Corresponding Member of the RAS

俄罗斯联邦, Moscow

S. Lukin

Belgorod State National Research University; Belgorod Center for Agrochemical Service

编辑信件的主要联系方式.
Email: serg.lukin2010@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0986-9995

Grand PhD in Agricultural Sciences, Professor

俄罗斯联邦, Belgorod; Belgorod

参考

  1. Dergacheva M.I. Tradicii i novatorstvo v Uchenii o gumuse pochv // Pochvy i okruzhayushchaya sreda. 2021. T. 4. № 4. 172 s. https://doi.org/10.31251/pos.v4i4.172
  2. Dokuchaev V.V. Russkij chernozem. M.: «Kniga po Trebovaniyu», 2012. 559 s.
  3. Ivanov A.L. i dr. Rekomendacii po proektirovaniyu integrirovannogo primeneniya sredstv himizacii v resursosberegayushchih tekhnologiyah adaptivno-landshaftnogo zemledeliya: instruktivno-metodicheskoe izdanie. M.: «Rosinformagrotekh», 2010. 464 s.
  4. Kiryushin V.I. Metodologiya zemlepol’zovaniya i zemleustrojstva na landshaftno-ekologicheskoj osnove, SPb.: OOO “Kvadro”, 2024. 336 s.
  5. Lukin C.B., Solovichenko V.D. Rezul’taty monitoringa plodorodiya pochv gosudarstvennogo zapovednika “Belogor’e” // Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2008. № 8. S. 15–17. EDN: JWVMAP.
  6. Pochvy. Terminy i opredeleniya. GOST 27593-88. M.: Standartinform, 2006. 11 s.
  7. Savchenko E.S. Vystuplenie Gubernatora Belgorodskoj oblasti, chlena-korrespondenta RAN E.S. Savchenko // Vestnik Rossijskoj akademii nauk. 2019. T. 89. № 5. S. 525–526. https://doi.org/10.31857/S0869-5873895525-526
  8. Semyonov V.M., Kogut B. M. Pochvennoe organicheskoe veshchestvo. M.: GEOS, 2015. 223 s.
  9. Solovichenko V.D. Plodorodie i racional’noe ispol’zovanie pochv Belgorodskoj oblasti. Belgorod: Otchij dom, 2005. 292 s.
  10. Sychyov V.G., Aristarhov A.N., Volodarskaya I.V. i dr. Metodicheskie ukazaniya po provedeniyu kompleksnogo monitoringa plodorodiya pochv zemel’ sel’skohozyajstvennogo naznacheniya. M.: MSH, 2003. 195 s.
  11. Chekmaryov P.A. Sostoyanie plodorodiya pochv i meropriyatiya po ego povysheniyu v 2012 g. // Agrohimicheskij vestnik. 2012. № 1. S. 2–4.
  12. Elektronnyj resurs. http://www.fedstat.ru/indicators/stat.do (data obrashcheniya 24.04.2023).
  13. Lehmann J., Kleber M. The contentious nature of soil organic matter. Nature. 2015. Vol. 528. p. 60–68. https://doi.org/10.1038/nature16069
  14. Lukin S.V. Dynamics of Agroecological State of Soils in the Belgorod Region during Long-Term Agricultural Use // Eurasian Soil Science. 2023. Vol. 56. No. 12. P. 1986–1998. https://doi.org/10.1134/s1064229323602123
  15. Malysheva E.S. Application of geoinformation systems for a complex analysis of data from agrochemical and soil-erosion monitoring of soils, Bio web of conferences: International Scientific and Practical Conference “Fundamental Scientific Research and Their Applied Aspects in Biotechnology and Agriculture” (FSRAABA 2021), EDP Sciences, Tyumen, 19–20 July (2021), 36, 03016. https://doi.org/10.1051/bioconf/20213603016
  16. Malysheva E.S., Malyshev A.V., Kostin I.G. Complex Analysis of Data from Agrochemical and Soil-Erosion Monitoring Using Geoinformation Systems // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Ussurijsk, 20–21 июня 2021 года. Ussurijsk. P. 032070. https://doi.org/10.1088/1755-1315/937/3/032070

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载

版权所有 © Russian Academy of Sciences, 2024

Creative Commons License
此作品已接受知识共享署名 4.0国际许可协议的许可