Влияние многолетних трав и однолетних культурных растений на плодородие дерново-подзолистой почвы в связи с углублением пахотного слоя

Уже в древности подмечено неодинаковое влияние различных групп сельскохозяйственных растений на плодородие почв. Римлянам и египтянам было известно, что люпины улучшают почву, а в XVIII в. в Германии установлено благотворное действие на почву клевера (17). В прогрессивных севооборотах прошлого столетия — Норфолькском, Волоколамском и других — посредством посевов многолетних бобовых трав и применения удобрений разрешалась задача поддержания и повышения плодородия подзолистых почв.
Если клевер издавна известен как улучшающее почву растение, то хлеба и корнеплоды считались, по выражению Тэера (15), истощающими почву. Известен взгляд Ю. Либиха (25), по которому «все, без исключения, растения каждое в своем роде, истощают почву в отношении условий восстановления своих урожаев».
В 1885 г. П. А. Костычев (8) обращал внимание на то, что различное воздействие растений на почву зависит от способа ее обработки, и солидаризировался со следующим выводом из опытов Дегерена: «...Земля, которая каждый год обрабатывается, беднеет, все равно как бы ни было обильно удобрение, и это обеднение прекращается и почва обогащается, когда обработку оставляют и почву превращают в луг или травяное поле». Э. Д. Рэссел (18) считал беспрерывную культуру зерновых злаков опустошительным методом ведения хозяйства, приведшим в США к развитию процессов эрозии. Отрицательную оценку влияния на почву однолетних растений дает В. Р. Вильямс (1), утверждая, что «наши культурные однолетние растения ни при каких условиях не могут накопить в почве органическое вещество. Они только требуют разрушения органического вещества для своего питания».
Многочисленные опыты с бессменной культурой однолетних растений показали, что при внесении удобрений, как правило, не наступает ухудшения условий плодородия почв. Так, на опытном участке в Галле (Германия) урожаи озимой ржи, высевавшейся бессменно в течение 20 лет, на удабриваемых делянках не падали и оставались на уровне около 25 цн/га (23). Заслуживают внимания данные Шеффера, сообщенные Герике (24), об изменении содержания гумуса под бессменной культурой ржи за 50 лет (1878—1929). На делянках, получавших ежегодно по 12 т/га навоза, содержание гумуса в почве повысилось за указанный срок с 2,13 до 2,88%. На фоне ЙРК количество гумуса не претерпело изменений, а на делянках, не получавших удобрений, содержание гумуса снизилось с 2,13 до 1,99%. Аналогичные результаты были получены в длительных опытах в Ротамстеде и на опытной станции Асков.
С. Мелстед (26) приводит данные пятилетнего опыта Бреланда, в котором, при внесении в почву достаточных количеств минерального азота и возврате значительной части растительных остатков, даже при бессменной культуре кукурузы отмечалось небольшое увеличение содержания органического вещества в почве. На Долгопрудной агрохимической опытной ст. (9) в четырехпольном севообороте без многолетних трав (картофель, яровая пшеница, сахарная свекла, овес), заложенном в 1937 г., зафиксировано спустя пятнадцать лет увеличение содержания общего гумуса и азота на фоне навоза, навоза + ЫРК и ЫРК, по сравнению с неудобренными делянками (за ротацию вносилось 40 т/га навоза и ^Кбоо)- И. П. Сахаров (9), И. И. Канивец (5), Ф. И. Левин (11) отмечали структурообразующую роль корневых систем однолетних растений.
В последнее время, в связи с работами Т. С. Мальцева, вновь заострено внимание на роли однолетних культурных растений в повышении плодородия почв. В концепции Т. С. Мальцева (12, 13), «всем сельскохозяйственным растениям, будь они многолетними или однолетними, свойственно оставлять в почве элементов пищи в органическом веществе больше того количества, которое они успевают в продолжение своего роста и развития извлечь из почвы». Наблюдаемые же в действительности различия в накоплении органического вещества в почве многолетними и однолетними растениями объясняются, по Мальцеву, не свойствами последних, а условиями отмирания и разложения корневых и пожнивных остатков, которые зависят от способа обработки почвы.
В последующие годы (1955—1956), при явно обозначившемся затухании последействия навоза, вновь обнаружилось, что варианты с углубленной обработкой па эффективному плодородию почвы все еще уступают контролю, но различие уже не столь резкое, как это наблюдалось в первый год опыта. Из двух изучавшихся вариантов углубления пахотного слоя — на 30 и 45 см — при отсутствии навоза худшими результатами отличался первый из них. На фоне навоза + ЫРК разница между указанными вариантами сглаживается.

Следует отметить, что в вариантах с обработкой на глубину 45 см исходный Ап, как было упомянуто, равномерно распределялся во всей указанной толще, вследствие чего резко уменьшилось содержание гумуса в верхнем слое (с 1,61 до 1,00%)- В отличие от этого, при «мелиоративной» вспашке на ту же глубину, давшей в течение ряда лет устойчивое повышение урожайности сельскохозяйственных культур (14), весь исходный А оставался на поверхности и лишь частично разбавлялся материалом А2В| В данном случае уменьшение содержания гумуса в верхнем слое не было столь значительным.
Полученные во второй серии делянок урожаи зерновых культур не показывают каких-либо существенных различий по глубинам обработки. Можно лишь указать на некоторое снижение урожая первой культуры — озимой пшеницы — по вспашке на 45 см на безнавозном фоне. Зато четко выступает эффект от навоза на всех вариантах обработки, что было менее выражено на многолетних травах.
Худшими условиями почвенной среды и для однолетних растений, на без-навозном фоне, отличался вариант с обработкой на 30 см (двучленная смесь Ап + Аг).
Сравнительно высокие урожаи надземной массы сельскохозяйственных культур в нашем опыте позволяют предполагать и мощное развитие корневых систем, играющих важную роль в накоплении органического вещества в почве (16, 22).
Источники поступления органического вещества в почве за счет жизнедеятельности культурных растений разнообразны, причем некоторые из них, как, например, корневые выделения и прижизненно отмирающие корешки, трудно поддаются количественному учету. Роль же этих источников в пополнении запасов органического вещества в почве не вызывает сомнений, что было отмечено М. М. Кононовой (7) при разборе работы Энена и Дюпюи , ошибочно определявших возможность накопления перегноя многолетними травами по разовому учету их корневой массы. Большинство исследователей ограничивается определением «пожнивных остатков», в которые включаются живые корни (а иногда и мертвые растительные остатки в почве) и собственно пожнивные остатки в виде стерни и опада. Что касается последней статьи, то при современной технике уборочных работ количественное выражение ее может быть весьма изменчивым ( в зависимости от высоты среза и полноты уборки с полей соломы и мякины).
0 роли пожнивных остатков в создании органического вещества почвы можно судить в общих чертах по подсчетам Герике, согласно которым в условиях довоенной Германии пополнение запасов гумуса в почве на 60% происходило за счет корневых остатков, стерни и зеленого удобрения и лишь на 40%—за счет навоза. Имеющиеся в литературе данные о количестве пожнивных остатков отдельных растений весьма разноречивы, что можно объяснить разнообразием природных и агротехнических условий произрастания урожаев и, наконец, методики определений. На основе большого экспериментального материала И. В. Тюрин (21) приходит к выводу, что корневая масса под яровыми и озимыми злаками, сконцентрированная в пахотном слое 20—25 см, составляет около 3,5—4,5 т/га, а под люцерной и естественной растительностью— 12 т/га и более. Однако, кроме живых корней, в почве содержится значительное количество корней отмерших и других мертвых растительных остатков, учет которых позволяет полнее выявить почвообразующую роль растений. В отношении многолетних трав В. Р. Вильямс (1) отмечал, что после вспашки пласта остается в почве полуторное количество ежегодно отмирающих корней, так как в среднем за год разлагается лишь половина отмерших корневых остатков. По обобщенным И. В. Тюриным (21) данным, количество отмирающих корней в почве примерно равно массе живых корней
Для определения содержания растительных остатков в почве был использован метод отмывки их из определенного объема почвы на ситах с диаметром ячеек в 0,25 мм1. Живые корни от мертвых растительных остатков отделялись посредством многократной флотации. Даже при самой тщательной отмывке не удается, без риска больших потерь, полностью освободиться от иловатых минеральных частиц, и чем свидетельствует полученное нами заведомо преувеличенное содержание золы в отмытом растительном материале (до 20—22%, а в отдельных образцах мертвых растительных остатков и еще больше). Кроме того, при большом количестве проб трудно отмыть их до определенной, одинаковой для всех образцов, степени чистоты, что необходимо для сравнительной оценки вариантов опыта. Повысить качество отмывки можно было бы, использовав сита с диаметром ячеек в 1,0 мм, но это привело бы к потере с промывными водами тончайших корешков и растительных остатков. Кроме того, как показал Кравков (цит. по 4), при длительной отмывке в водную вытяжку может перейти некоторая часть веществ, содержащихся в растительных остатках, особенно в мертвых. Учитывая это, мы сочли целесообразным, не ограничиваясь валовым учетом количества растительных остатков, определить в них содержание углерода и общего азота и по ним судить о количестве и качестве органического вещества, оставляемого культурными растениями в почве2.
Содержание углерода в корнях и мертвых растительных остатках под многолетней травосмесью и однолетними растениями представлено в табл. 4. Для сопоставления приводится количество мертвых растительных остатков на делянках бессменного пара, которые подвергались мелкой обработке (на 3—5 см) для уничтожения прорастающих сорняков. Сроки взятия проб были в основном приурочены к фазам цветения растений, а на паровых делянках — к концу вегетационного периода производилась на низком срезе и поэтому стерня в массе растительных остатков не участвует.
1 Полевые определения и лабораторные анализы корней и мертвых растительных остатков выполнены лаборантом Л. В. Котовой.
2 При этом определяется, конечно, С и N не отмытого почвенного материала. Если последний по своему составу приравнять к исходной почве с 1,61% гумуса, то ошибка (в сторону преувеличения) в определении С и N растительных остатков в наиболее «зольных» пробах не превысит 2,5—3%. Однако с промывными водами в первую очередь отделяется органическое вещество почвы, а в примесях к растительным остаткам преобладают минеральные частицы; поэтому ошибка может быть меньше указанной величины.
При рассмотрении табл. 4 необходимо учитывать, что при закладке опыта на делянки внесен навоз из расчета 40 т/га. Исходя из среднего содержания органического вещества в навозе в 20 и содержания углерода в последнем — в 48%, можно принять, что с навозом в почву поступило округленно 3800 кг/га углерода. Помимо этого в почве в момент закладки опыта уже содержалось некоторое количество трудно поддающихся разложению растительных остатков (корневища хвоща, семена сорных растений м проч.), в чем убеждает сопоставление данных по унавоженным и неунавоженным паровым делянкам.
Во втором году опыта (1954) остатки неразложившегося навоза в паровых делянках, в пересчете на углерод, составляли в округленных величинах 50С—1100 кг/га, т. е. около 13—29% первоначального его содержания в 40 т навоза. Близкие цифры к нашим данным были получены Герике и Шеффером (24), показавшими, что в течение года успевает разложиться лишь около 70—80% органического вещества внесенного навоза. Особенно рельефно проявляется замедление темпов разложения навоза в случае обработки на глубину 45 см, что, по всей вероятности, следует объяснить изменением группового состава микрофлоры вследствие разбавления пахотного слоя свежим материалом подпахотных горизонтов. По определениям Н. В. Мешкова, количество спорообразующих бактерий и грибов на делянках с глубокой обработкой было в 1954 г. значительно меньше, чем на контроле. В дальнейшем групповой состав микроорганизмов по вариантам опыта существенно не отличался. В третьем и четвертом годах (1955—1956) интенсивность процессов разложения растительных остатков в паровых делянках с глубокой обработкой была даже выше, чем на контроле.
Наличие в почве неразложившихся остатков навоза и сорной растительности до некоторой степени мешает выявлению непосредственной роли самих культурных растений в обогащении почвы органическим веществом. Ниже приведены данные о содержании углерода в остатках собственно культурных растений, за вычетом углерода мертвых растительных остатков в пару, при условном допущении одинаковых темпов их разложения во всех делянках опыта (табл. 5).
Анализ этих данных, в сопоставлении с табл. 4, позволяет обнаружить следующие закономерности:
1.            Количество живых корней травосмеси в третьем и, особенно, в четвертом году жизни, по сравнению со вторым годом, заметно увеличилось, содержание же мертвых растительных остатков в почве из года в год систематически уменьшалось. Однако сумма всех органических остатков под травосмесью в течение трех лет была почти стабильной.
Количество растительного материала, оставляемого в почве самой травосмесью, увеличивалось с возрастом последней, но размеры накопления растительных остатков в четвертом году жизни травосмеси, по сравнению с третьим годом, меньше.
2. Однолетние культуры — викоовсяная смесь и яровая пшеница — оставляют в почве органического материала в два с лишним раза меньше травосмеси. Озимая пшеница «Гибрид 186» способствует большему накоплению растительных остатков в почве по сравнению с яровыми культурами, что, вероятно, следует отнести за счет особенностей сорта. Как известно, устойчивость пшенично-пырейных гибридов к полеганию в значительной мере связана с мощным развитием их корневой системы.
3. Углубление основной обработки до 45 см, с частичным насыщением верхнего слоя материалом А2В1, способствовало накоплению растительных остатков в почве как многолетней травосмесью, так и однолетними зерновыми культурами.
Представляет интерес соотношение урожаев надземной массы культурных растений и их неразложившихся остатков в почве (приведенное в табл. 6, где масса растительных остатков исчислена по углероду, исходя из среднего содержания его в неразложившемся растительном материале в 48%). Урожай зерна яровых зерновых культур — викоовсяной смеси и яровой пшеницы — и масса их неразложившихся остатков в почве находятся приближенно в соотношении 1:1, что близко к расчетам И. В. Тюрина.
У озимой пшеницы «Гибрид 186» это соотношение расширяется до 1:1,8, но при этом необходимо учитывать ранее отмеченные особенности сорта. Соотношение между массой неразложившихся остатков в почве и всей надземной массой зерновых культур изменяется в довольно широких пределах (0,26—0,52), в зависимости от особенностей растений и способа обработки; во всех случаях надземная масса была в два-четыре раза больше количества неразложившихся растительных остатков р почве. Таким образом, в нашем опыте на почвах дерново-подзолистых не подтвердилось, применительно к однолетним растениям, положение Т. С. Мальцева о равенстве и даже превалировании масс подземных органов растений над их надземной массой.
Иная картина наблюдается у многолетней травосмеси. В зависимости от величины урожая и возраста трав соотношение масс неразложившихся растительных остатков в Почве и урожаев сена претерпевает существенные изменения, однако при устойчивом перевесе подземных органов травосмеси над надземными. Роль углубления пахотного слоя в относительном увеличении корневой массы на единицу урожая проявляется довольно отчетливо.
Аналогичные величины отношений корневых остатков к надземным органам у многолетних трав и однолетних растений были получены И. В. Лариным (10) в результате обобщения массовых данных учетов в различных почвенных зонах (для многолетних трав — 1,59 и однолетних растений — 0,66).
Если содержание углерода в растительных остатках может дать представление о валовом количестве органического вещества, то о качестве последнего, с точки зрения его воздействия на плодородие почвы, можно судить по содержанию в нем азота и отношению С:N. Размеры накопления азота в растительных остатках травосмеси в нашем опыте (табл. 7) измеряются величинами, близкими к нормативам, принятым Д. Н. Прянишниковым для клевера при составлении перспективного азотного баланса в земледелии СССР, а именно — 150—180 кг/га. С возрастом травосмеси содержание азота в неразложившихся корневых остатках в почве увеличивается, но интенсивность накопления азота постепенно затухает. Хотя однолетние культурные растения и уступают в этом отношении многолетней травосмеси, тем не менее, при достаточно высоких урожаях в корнях и мертвых остатках однолетних зерновых культур, может быть связано значительное количество азота, чего нельзя недооценивать.
Числовые значения С : N (табл. 8) свидетельствуют о том, что живые корни трав, викоовсяной смеси и яровой пшеницы в этом отношении лишь немногим уступают хорошо приготовленному навозу, для которого характерна величина С: N-15—20.
Более широкое отношение С:Ы обнаружено в корнях озимой пшеницы «Гибрид 186» (около 35). Мертвые растительные остатки отличаются сближенным С : Ы, что может служить косвенным показателем развития процессов их гумификации. В качестве органического удобрительного материала они, по содержанию N. могут быть на лицо.
Влияние глубины обработки на величину С : N в корнях травосмеси проявляется недостаточно выразительно, что, по-видимому, связано с динамичностью в соотношении компонентов. В корнях однолетних культур С : N1, независимо от глубины обработки, остается более или менее постоянным. Зато четко обнаружилось влияние глубокой обработки на усиление процессов разюжения мертвых растительных остатков, что, по всей вероятности, связано с увеличением общей скважности и созданием более благоприятных условий для окисления углерода и сближения С : N (табл. 9).
В качестве основных критериев для сравнительной оценки влияния однолетних и многолетних культурных растений на плодородие почвы может служить количество азота, накапливаемого в неразложившихся растительных остатках — с одной стороны, и отчуждаемого из почвы с урожаем надземной массы— с другой, а также процентное содержание гумуса в почве. При закладке опыта внесено 200 кг/га азота. Кроме того, за 4 года в форме минера чьных удобрений пило азота в почву на делянках с однолетними растениями — 120, под травосмесь — 60 и на паровых делянках — 30 кг/га. Стало быть, суммарное поступление азота в почву с удобрениями соответственно равнялось — 320, 260 и 230 кг/га.
Вынос азота с урожаями надземной массы однолетних культур составляет, по подсчетам, для озимой пшеницы 99—102, викоовсяной смеси—11?—115 и для яровой пшеницы — 108—106 кг/га (первые цифры относятся к вариантам обработки на 20 см). Следовательно, валовое содержание азота в надземной массе однолетних культур растений больше, чем в их корневых остатках в почве. Вместе с тем нет оснований, если речь идет о зерновых злаках, предполагать накопление ими в корневых остатках азота за счет вне-почвенных источников. В данном случае имеет место потребление азота почвы и удобрений и связывание его в органическом веществе корневых остатков. Обращает на себя внимание совпадение величин суммарного отчуждения азота из почвы с урожаями трех однолетних культур (319—323 кг/га) и поступления азота в почву с удобрениями (320 кг/га). Содержание азота в сене травосмеси изменялось по годам следующим образом: во втором году жизни — 48—61, в третьем — 135—121 и в четвертом — 67—46 кг/га. Таким образом, даже в самом урожайном году (третий год жизни) количество связанного в корневых остатках азота было больше, чем в надземных органах. Во втором и четвертом годах жизни, отличающихся небольшими урожаями травосмеси, в корневых остатках содержалось азота в два-четыре раза больше, чем в сене.
Общая картина воздействия многолетних и однолетних культурных растений на содержание гумуса и азота дерново-подзолистой почвы вырисовывается из данных табл. 10, составленной по определениям А. К. Ярцевой. Под травосмесью за четыре года ее жизни, на фоне навоза +ЫРК, произошло существенное увеличение содержания перегноя и азота в почве, причем на делянках с глубокой обработкой интенсивность новообразования гумуса была более высокой. За тот же срок и при тех же условиях процентное содержание гумуса и азота на делянках, занятых однолетними зерновыми культурами, едва удержалось на исходном уровне. Другими словами, лишь благодаря внесению 40 т/га навоза + К12оР18оК18о в форме минеральных удобрений представилось возможным сбалансировать запасы гумуса и азота и одновременно получить относительно высокие урожаи трех зерновых культур. Чистый пар даже при минимальной обработке оказался весьма расточительным, в отношении почвенного гумуса и азота, агротехническим приемом: в течение четырех лет парования непроизводительно утрачены не только 40 т/га навоза, но и около 4 т/га гумуса 3.
Углубление обработки почвы, при котором происходит некоторое насыщение верхнего слоя иловато-глинистой фракцией гор. А2Вь способствует как лучшему накоплению, так и закреплению гумуса и азота. В этой связи следует припомнить, что, по взглядам немецких авторов (Герике и др.), мелкая обработка почвы должна рассматриваться как гумус-разрушающая, а глубокая— как сберегающая гумус. Данные нашего опыта подтверждают эго положение.
Выводы
1.            Культурные многолетние и однолетние растения могут накапливать в дерново-подзолистой почве в виде пожнивных остатков значительно 1'0(органического вещества и азота, использование которых представляет собой важную задачу земледелия.
2. При высоких урожаях зерновых культур (30—35 и/га зерна) отчуждается с полей в виде урожая (т. е. с надземной массой) органического вещества и азота больше, чем их содержится в корневых остатках. У многолетних трав, напротив, количество органического вещества и азота в корневых остатках превалирует над их содержанием в сене.
3. В деле поддержания и повышения запасов гумуса, а следовательно, потенциального плодородия дерново-подзолистых почв, незаменимая роль принадлежит многолетним травам. Напротив, посев в течение трех-четырех лет зерновых культур на указанных почвах возможен без ущерба для их потенциального плодородия, т. е. при поддержании запасов гумуса на одном уровне, лишь при условии внесения навоза (в среднем не менее 10 т/га в год) и минеральных удобрений, в частности азотных.
4. В условиях дерново-подзолистых почв длительное парование является наиболее расточительным, в отношении запасов почвенного гумуса и азота, агротехническим приемом. Ввиду этого при разработке систем агротехники необходимо стремиться к максимальному сокращению сроков пребывания полей в состоянии, не занятом культурными растениями.
5. Углубление пахотного слоя дерново-подзолистой почвы с частичным вовлечением иловато-глинистой фракции за счет гор. А2В1 способствует лучшему накоплению и закреплению гумуса и азота.