Модель плодородия почв в интенсивной
Системе земледелия
Расширенное воспроизводство плодородия почв и на этой основе рост урожайности сельскохозяйственных культур должны идти путем оптимизации комплекса свойств почв, включая физико-химические, биологические и др. Состояние почв, степень их соответствия требованиям культурных растений для формирования высоких урожаев оценивается степенью окультуренности почвы. Для оценки степени окультуренности почв используются показатели, контролируемые агрохимической службой: уровень кислотности (рН); содержание гумуса, подвижных форм фосфора и калия. Установлены оптимальные параметры этих показателей для основных типов почв республики, соответствующие высшей степени окультуренности почв.
Анализ результатов полевых опытов с удобрениями, проведенных научными учреждениями и агрохимической службой республики, показал, что контролируемые агрохимические свойства дерново-подзолистых почв на 58–77 % определяют уровень урожайности зерновых культур на фоне полного минерального удобрения и на 20–50 % – величину прибавок урожая от азотных, фосфорных и калийных удобрений.
Существующие градации диагностических признаков степени окультуренности почв нуждаются в периодическом уточнении в полевых экспериментах по мере введения в практику новых сортов и элементов технологий возделывания сельскохозяйственных культур.
В диапазоне от минимальных до оптимальных значений каждого показателя установлена достоверная корреляция с величиной урожая сельскохозяйственных культур и определено его изменение на единицу измерения агрохимических свойств. Например, установлено, что прирост урожая по мере повышения содержания фосфора, калия и гумуса в почве постепенно снижается. Так, на суглинистых и супесчаных, подстилаемых мореной почвах на каждые 10 мг/кг Р2О5 в диапазоне 30–100 мг/кг продуктивность изучавшихся культур повышалась на 132 к.ед. на 1 га, в интервале 101–150 мг/кг Р2О5 прирост составлял 108 к.ед. на 1 га, 151–200 мг/кг Р2О5 – 101 к.ед., 200–250 мг/кг Р2О5 – 68 к.ед. на 1 га.
Аналогично меняется прирост продуктивности культур при повышении содержания калия в 1 кг почвы в расчете на каждые 10 мг К2О. На суглинистых почвах при содержании К2О в диапазоне от 30 до 80 мг урожайность с 1 га повышалась на 122 к.ед.; 81–140 мг – на 98 к.ед.; 141–200 мг – на 70 к.ед. Продуктивность тех же культур по мере увеличения содержания гумуса на 0,1 % в диапазоне 1–2 % повышалась на 90 к.ед. с 1 га, а при дальнейшем повышении запасов гумуса – только на 25 к.ед.
Для количественной оценки плодородия почв Беларуси используется также комплексный показатель – индекс агрохимической окультуренности почв, где каждый из показателей (рН, содержание Р2О5, К2О, гумуса) выражен в относительных величинах, а за 1 приняты средние оптимальные значения этих свойств почв. Относительные индексы (Иотн) каждого свойства рассчитываются по формуле:
где Хфакт – фактическое значение свойства по данным анализа; Хмин и Хопт – соответственно минимальное и оптимальное значения показателей для данной почвы.
Для использования на практике установлены следующие минимальные агрохимические показатели минеральных почв: рН (КС1) – 3,5; по 20 мг/кг почвы Р2О5 и К2О (по Кирсанову); 0,5 % гумуса. Для торфяных почв минимальный показатель содержания Р2О5 и К2О – 100 мг/кг почвы.
Если фактический показатель больше оптимального, то условно Иотн этого свойства принимается равным 1. После определения относительных индексов всех показателей рассчитывается индекс окультуренности (Иок) как среднее арифметическое относительных индексов: Иок = (ИрН + 
+ 
+ Игум): 4. Индекс окультуренности почв может изменяться в большом диапазоне – от 0,2 до 1. Этот показатель удобен в расчетах и позволяет объективно сравнивать степень окультуренности почв.
По результатам 405 полевых опытов, повышение индекса окультуренности почв с 0,3 до 0,9 сопровождалось увеличением урожайности зерновых культур с 21–24 до 37–41 ц/га, картофеля – с 214 до 307 ц/га, т.е. продуктивность 1 га пашни повышалась с 32,8 до 53,7 к.ед. (табл. 3.13).
Оценка почв в баллах может понижаться до 50 % при изменении индекса окультуренности почв от 1 до 0,2, для чего используются экспериментально установленные понижающие коэффициенты.
3.13. Зависимость урожая основных сельскохозяйственных культур от степени
окультуренности дерново-подзолистых почв, ц/га
| Индекс окультуренности (Иок) | Урожайность, ц/га; дозы удобрений | Выход кормовых единиц с учетом структуры посевов | |||
| озимая рожь; NPK180-200 | ячмень; NPK180-200 | лен (солома); NPK160-190 | картофель; 40 – 60 т навоза, NPK200-250 | ||
| 0,3 | 20,7 | 24,0 | 34,4 | 32,8 | |
| 0,5 | 26,6 | 30,0 | 42,4 | 40,3 | |
| 0,7 | 32,0 | 35,6 | 49,0 | 47,3 | |
| 0,9 | 37,1 | 40,7 | 54,6 | 53,7 |
По степени окультуренности почвы принято делить на четыре группы: с очень низкой степенью окультуренности (Иок <0,4); низкой (0,41–0,6); среднеокультуренные (0,61–0,8) и высокоокультуренные (0,81–1) почвы.
Низкий уровень естественного плодородия сельхозугодий, пестрота агрохимических свойств почв, неравномерные темпы окультуривания их по регионам делают необходимым целенаправленное управление повышением плодородия почв на основе моделирования. Оценка окультуренности почв по четырем показателям является лишь начальным этапом моделирования почвенного плодородия. По мере включения новых учитываемых свойств (содержание азота, микроэлементов, мощность перегнойного горизонта и др.) разрабатываются более сложные структурные модели.
С учетом особенности периода перехода к рыночной экономике, дефицита энергетических ресурсов, непростой экологической ситуации в республике, осложненной радиоактивным загрязнением почв, разработка моделей высокоплодородных почв в последние годы велась на основе концепции регулируемого (экологически и экономически обоснованного) повышения плодородия почв. Главные положения этой концепции:
- повышение плодородия почв на основе расширенного возврата органического вещества, макро- и микроэлементов на полях, где их содержание ниже оптимального уровня;
- поддержание уровня плодородия почв с оптимальными свойствами;
- ограничение применения удобрений на полях с избыточным содержанием элементов питания растений.
Система удобрений устанавливает дозы удобрений с учетом комплекса свойств почв, биологических особенностей возделываемой культуры и предшественников, исходя из получения не максимальной, а рациональной, экологически и экономически обоснованной урожайности, которая обычно находится на уровне 90–95 % от максимально возможной. Параметры плодородия регулируются на основе автоматизированной системы управления, включающей банк данных земельных ресурсов по результатам периодических почвенно-геоботанических (через 15 лет) и агрохимических (через 4–5 лет) обследований сельхозугодий, комплекса производственных задач по земельному кадастру и применению средств химизации, контурно-экологическим севооборотам и др.
Структура моделей, унифицированная по всем параметрам для трех групп дерново-подзолистых почв, представлена на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Модель плодородия дерново-подзолистых почв.
Модели включают оптимальные значения и возможные колебания 36 свойств пахотного и 24 свойств подпахотного горизонтов почв, характеризующих морфологические, агрофизические, агрохимические и биологические свойства почв, а также систему мер по поддержанию содержания гумуса и защите почв от эрозии, внесению экологически безопасных доз удобрений и повышению продуктивности севооборотов: на песчаных и супесчаных, подстилаемых песками почвах 50–60 ц/га к.ед.; на супесчаных, подстилаемых мореной – 60–80 ц/га к.ед.; на суглинистых – 80–100 ц/га.
Основу модели составляют оптимальные параметры свойств почв, обеспечивающие стабильную продуктивность севооборотов на заданном уровне. В табл. 3.14 приведены оптимальные параметры содержания гумуса в дерново-подзолистых почвах, установленные по материалам выборок из результатов 868 краткосрочных и 67 многолетних стационарных опытов. Достижение указанных в таблице параметров на больших массивах почв реально в ближайшей перспективе.
3.14. Оптимальные параметры содержания гумуса в дерново-подзолистых почвах
| Показатели | Почвы* | Пахотный горизонт | Подпахотный горизонт |
| Мощность | 25–35 | 10–20 | |
| 2 – 3 | 25–30 | 15–20 | |
| Содержание гумуса (по Тюрину), % | 2,5–3,0 | 0,4–0,6 | |
| 2,0–2,5 | 0,3–0,5 | ||
| 1,8–2,2 | 0,2–0,4 | ||
| Отношение C : N | 8–11 | – | |
| 10–12 | – | ||
| 13–15 | – | ||
| Тип гумуса, Сгк : Сфк | 1 – 3 | 1,0–1,5 | – |
| Содержание лабильных органических веществ в 1 М Na4Р2О7 (рН 7), мг/кг | 1300–2000 | – | |
| 800–1400 | – | ||
| 600–1000 | – | ||
| Содержание водорастворимого органического вещества, мг/кг | 1 – 2 | 30–50 | – |
| 20–40 | – | ||
| Сумма минерального азота (N-NO3+N-NH4), мг/кг | 20–40 | 10–20 | |
| 25–35 | 10–20 | ||
| 15–25 | 8–12 | ||
| Потенциально усвояемый азот (0,2 М КОН), мг/кг | 40–80 | 20–40 | |
| 50–70 | 20–40 | ||
| 30–50 | 15–25 | ||
| Потенциальная азотфиксация N2, мг/кг | 70–100 | – | |
| 60–90 | – | ||
| 50–80 | – | ||
| Продуцирование СО2, мг/кг за 96 ч | 200–250 | – | |
| 260–330 | – | ||
| 100–130 | – |
* 1 – суглинистые; 2 – супесчаные, подстилаемые мореной; 3 – песчаные и рыхлосупесчаные, подстилаемые песками.
В настоящее время средняя мощность гумусового горизонта пахотных почв в республике равна 26 см (с колебаниями от 20 до 40 см). Затраты на увеличение гумусового горизонта велики, особенно на легких почвах. Чтобы увеличить его на сантиметр, необходимо дополнительно внести за срок окультуривания по 69 т/га навоза на супесях и 74 т/га на песках, а также 0,4–0,5 т/га CaCO3+MgCO3, 18–20 кг/га Р2О5, 20–25 кг/га К2О. Возможный прирост продуктивности севооборота от углубления гумусового горизонта на 1 см в диапазоне 25–30 см – около 2 ц/га к.ед., что предполагает примерно десятилетний срок окупаемости затрат. Поэтому создание мощности гумусового горизонта свыше 30 см (там, где его нет) в ближайшей перспективе нецелесообразно.
Качественные характеристики гумуса определены по данным анализов почв стационарных полевых опытов с делянок с оптимальными вариантами удобрений, обеспечивающими наибольшую продуктивность севооборотов. Отношение C:N колеблется в сравнительно небольших пределах и расширяется по мере перехода от суглинков к легким почвам. Тип гумуса практически повсеместно фульватно-гуматный, а отношение ГК/ФК повышается по мере окультуривания почв. Содержание лабильных форм органических веществ в вытяжке нейтрального пирофосфата натрия и почвенном растворе колеблется в больших пределах, эти показатели значительно ниже в почвах легкого гранулометрического состава.
С содержанием гумуса в почвах тесно связано содержание минеральных форм азота(при одинаковой системе удобрений). Стандартизированы и даются два показателя: минеральный (сумма N–NO3+N–NH4) и потенциально усвояемый азот, экстрагируемый вытяжкой 0,2 М КОН, с учетом которых дифференцируются дозы азотных удобрений под сельскохозяйственные культуры.
Биологические свойства почв – продуцирование СО2 и потенциальная азотфиксация (активность нитрогеназы), определяемые газохроматографическими методами, тесно связаны как с содержанием гумуса, так и с другими агрохимическими свойствами почв. Установлена достоверная связь биологических тестов с урожаями основных сельскохозяйственных культур. По-видимому, в условиях усиливающегося техногенного загрязнения почв роль биологических характеристик будет возрастать в оценке «здоровья» почв.
Изучение окультуривания почв показало необходимость учета свойств как пахотного, так и подпахотного горизонта. Определены ориентировочные параметры содержания гумуса и минеральных форм азота в подпахотных горизонтах окультуренных почв, где расположена значительная часть корневой системы растений. Для изучения качественного состава гумуса и биологических свойств подпахотных горизонтов и разработки нормативов нужны дальнейшие исследования.
Достижение оптимального уровня гумуса в почве и поддержание в ней бездефицитного баланса органического вещества требуют систематического контроля содержания гумуса и тщательной оценки факторов, влияющих на гумусонакопление.
Оптимальные уровни реакции почв (табл. 3.15) разработаны для севооборотов, различающихся количеством кальцефобных и кальциелюбивых культур. Для достижения и поддержания приведенных параметров реакции почв и насыщенности их основаниями (кальцием и магнием) разработаны рекомендации по известкованию почв.
Учет свойств почв и биологических особенностей культур при известковании имеет большое экономическое значение. По данным полевых опытов, проведенных в республике, сахарная свекла, клевер, озимая пшеница и ячмень обеспечивают наибольшую среднюю продуктивность (81 ц/га к.ед.) при реакции суглинистых и супесчаных, подстилаемых мореной почв рН 6,6–6,8. Лен, картофель, люпин, овес, озимая рожь на тех же почвах наибольшую среднюю продуктивность (69 ц/га к.ед.) обеспечивают при уровне рН 5,6–6,0, при известковании до рН 6,1–6,5 продуктивность этих культур снижается на 8 %, а при рН 6,6–7,0 – на 18 %.
В связи с использованием для известкования пылевидной доломитовой муки, где содержание MgO достигает 20%, наблюдается существенное повышение содержания в почве обменных форм магния. Известно, что дерново-подзолистые почвы Беларуси характеризовались крайне низким наличием магния в поглощающем комплексе. В настоящее время доля почв с низким содержанием обменного магния (MgO<90 мг/кг в вытяжке 1М КС1) на пашне составляет менее 7,8 %, а на луговых угодьях – 5,5 %. Выделена шестая группа почв с избыточным содержанием обменного магния (>450 мг MgO на кг почвы), на которых может наблюдаться снижение урожайности сельскохозяйственных культур.
3.15. Оптимальные уровни реакции и насыщенности основаниями
дерново-подзолистых почв
| Показатели | Почва | Пахотный горизонт |
| рН в KCL для севооборотов: | ||
| со льном, картофелем, люпином, рожью, овсом | 5,5–6,0 | |
| 5,5–5,8 | ||
| 5,3–5,5 | ||
| зерно-травяно-пропашные с кукурузой и корнеплодами | 6,1–6,5 | |
| 5,6–6,0 | ||
| 5,5–5,8 | ||
| зерно-травяно-свекловичные, прифермские, овоще-кормовые | 6,5–6,7 | |
| 5,8–6,2 | ||
| 5,5–5,8 | ||
| Гидролитическая кислотность, мэкв в 100 г почвы | 1,0–2,6 | |
| 1,0–2,0 | ||
| 0,8–1,5 | ||
| Содержание обменных (в 1 М KCl), мг/кг почвы: | ||
| СаО | 900–1500 | |
| 800–1300 | ||
| 600–800 | ||
| Mg | 150–300 | |
| 120–150 | ||
| 80–100 | ||
| Степень насыщенности основаниями, % | 70–90 | |
| 70–85 | ||
| 60–80 |
Оптимальные уровни обеспеченности дерново-подзолистых почв подвижными формами фосфора и калия по группам гранулометрического состава и типам севооборотов приведены в табл. 3.16.
Для севооборотов с преобладанием требовательных к питанию культур (корнеплоды, кукуруза, овощи и др.) на почвах любого гранулометрического состава необходимы большие запасы доступных форм фосфора и калия, чем в севооборотах, где преобладают посевы зерновых культур и трав.
Планомерное окультуривание и оптимизация свойств почв имеет большое природоохранное значение и особую экологическую значимость для Беларуси. Исследованиями Института агрохимии и почвоведения установлено, что улучшение свойств почв (повышение содержания гумуса, насыщение поглощающего комплекса кальцием от среднего до оптимального уровня, повышение содержания подвижного калия с 30–80 до 200–300 мг в 2–3 раза снижает накопление долгоживущих радионуклидов в многолетних травах. Полный комплекс окультуривания почв (регулирование водного режима и минерального питания, удобрение) позволяет снизить загрязнение продукции радионуклидами в 6–10 раз.
3.16. Оптимальные уровни содержания подвижных соединений фосфора и калия в почвах Республики Беларусь с учетом севооборотов
| Почвы | Р2О5, мг/кг почвы | К2О, мг/кг почвы | ||
| С преобладанием зерновых, многолетних и однолетних трав, льна | С корнеплодами, овощами, кукурузой, прифермские севообороты | С преобладанием зерновых, многолетних и однолетних трав, льна | С корнеплодами, овощами, кукурузой, прифермские севообороты | |
| Дерново-подзолистые: | ||||
| глинистые и суглинистые | 200–300 | 250–350 | 200–300 | 250–350 |
| супесчаные | 150–250 | 200–300 | 200–250 | 200–300 |
| песчаные | 100–150 | 150–200 | 100–150 | 140–200 |
| Торфяные (многолетние травы) | 500–800 | 500–700 | ||
| Минеральные почвы луговых земель | 120–200 | 100–200 |
Установлены оптимальные уровни содержания серы и микроэлементов в гумусовых горизонтах окультуренных почв (табл. 3.17). Приведенные параметры соответствуют в основном второй группе обеспеченности почв микроэлементами, когда вынос последних должен компенсироваться некорневыми подкормками, а также поступлением с органическими удобрениями.
3.17. Оптимальные уровни содержания серы и микроэлементов в окультуренных
дерново-подзолистых почвах
| Элементы питания | Почвы | Содержание в пахотном горизонте, мг/кг почвы |
| Сера (1 м KCl) | 1–2 | 12–20 |
| 10–15 | ||
| Бор (Н2О) | 1–2 | 0,5–0,7 |
| 0,4–0,5 | ||
| Медь (1 М HCl) | 1–2 | 2,0–3,0 |
| 1,5–2,0 | ||
| Цинк (1 М HCl) | 1–2 | 3–5 |
| 2–3 | ||
| Молибден | 1–3 | 0,1–0,2 |
Примечание. 1 – суглинистые, 2 – супесчаные, подстилаемые мореной, 3 – песчаные и рыхлосупесчаные, подстилаемые песками.
Для устранения дисбаланса макро- и микроэлементов в почве и растениях и предотвращения загрязнения почв вследствие неравномерного внесения растворимых солей микроэлементов необходима строго дифференцированная система применения микроудобрений. Поддержанию заданных параметров плодородия способствует целый комплекс агротехнических и организационных мер, включая почвозащитную обработку почв, структуру посевов, известкование, экологические ограничения.
Разработаны экологические ограничения, предусматривающие максимальное поступление азота с органическими и минеральными удобрениями (в сумме) не более 250 кг/га в год на суглинистых, 200–230 – на песчаных и 160–180 кг/га на песчаных почвах во избежание загрязнения грунтовых и подземных вод нитратами. Экологически опасно вносить фосфорные удобрения при содержании Р2О5 в суглинистых почвах свыше 400 мг/кг почвы, супесчаных – 300 и песчаных 250 мг/кг. Ограничения введены и для калийных удобрений, извести, микроудобрений, а также на распашку крутых склонов и переуплотнение почв (табл. 3.18). Предельно допустимое давление при влажности почвы 80–90 % от полевой влагоемкости – не более 90–100 КПа, при влажности 60–70 % – не более 110–140 КПа. Все весенние полевые работы на переувлажненных почвах должны выполняться только гусеничными тракторами, а колесные тракторы использоваться преимущественно в сухие периоды года, летом и осенью. Уплотнению почв препятствуют запахивание сидератов, соломы, рыхление подпахотного горизонта и др.
3.18. Экологические ограничения на дерново-подзолистых почвах
| Ограничения | Почвы | ||
| суглинистые | супесчаные | песчаные | |
| Максимальное поступление N с органическими и минеральными удобрениями, кг/га | |||
| Органические на внесение макро- и микроудобрений при содержании элементов в почве больше указанных значений, мг/кг почвы: | 200–230 | 160–180 | |
| Р2О5 | |||
| К2О | |||
| бора | 1,0 | ||
| меди | 5,0 | ||
| цинка | 10,0 | ||
| на известкование при рН в KCl больше | 6,7 | 6,2 | 5,8 |
| Противоэрозионные мероприятия на склонах: | |||
| 3 – 5о | Почвозащитные севообороты | ||
| 6 – 8о | Залужение | ||
| больше 8о | Залужение, залесение | ||
| На давление колес, КПа, при влажности почвы, %: | |||
| 80 – 90 | 90–100 | ||
| 60 – 70 | 110–140 |
В настоящее время все экологические ограничения носят рекомендательный характер и ощутимый эффект они дадут только, если будут иметь силу закона, как это сделано в западноевропейских странах.
Повышение содержания подвижных форм фосфора и калия в почве необходимо вести постепенно, избегая разовых мелиоративных доз удобрений, окупаемость которых урожаем примерно в 2–3 раза ниже, чем дифференцированных доз, рассчитанных на заданный уровень урожайности. При достижении нижнего уровня оптимального содержания фосфора и калия в почве дозы внесения этих элементов (в том числе с органическими удобрениями) не должны превышать планируемый вынос их урожаем.
Обязательное условие реализации модели – интегрированная система защиты растений от сорняков, болезней и вредителей, включающая агротехнические приемы, биологические методы и в минимальной степени химические препараты.
Вопросы для самоконтроля
1. Из каких частей состоит почва? Их краткая характеристика.
2. Какие элементы питания растений содержатся только в органической, минеральной и органо-минеральной формах?
3. В чем сущность обменного, химического и биологического поглощения питательных элементов удобрений? Какое значение они имеют при использовании удобрений?
4. Какие виды кислотности почв вы знаете?
5. Что такое буферная способность почвы? Чем она обусловлена?
6. Какие основные агрохимические показатели почв вы знаете? Каковы их значения для разных типов почв республики?
7. Каково состояние и пути повышения плодородия почв Беларуси?
8. Что такое оптимизационная модель плодородия почв, какие цели она преследует и как решается?
9. Назовите экологические ограничения применения удобрений.