Биогеохимический круговорот в агроланшафтах

В агроландшафтах Беларуси систематически проводятся мероприятия по повышению плодородия почв и продуктивности растений, однако земельные угодья и по структуре и содержанию питательных элементов не во всех хозяйствах отвечают оптимальным показателям, что обусловлено экономическим фактором (недостаточно вносится удобрений относительно их расчетных норм). Землевание торфяных почв и торфование минеральных почв можно проводить на ограниченных площадях в зависимости от наличия соответствующего мелиоранта. Рассмотрим круговорот и баланс химических элементов в системе севооборота «картофель – ячмень – клевер (многолетние травы)» в производственных условиях и в условиях торфования [53].

Функционирование и организованность ландшафта находится под управляющим воздействием живого вещества и экологических условий. Приток энергии и ее обмен в процессе круговорота веществ создает разнообразие природных процессов, которые регулируют скорость и направленность геохимических реакций в агроландшафте.

Рассмотрим биогеохимический круговорот и геохимический баланс химических элементов в системе «порода – почва – воды – живые организмы (растения) – атмосфера». Каждая из подсистем характеризуется притоком и оттоком вещества и энергии и является открытой. Рассмотрим, как осуществляется биогеохимический круговорот в агроландшафтах Беларуси при выращивании основных сельскохозяйственных культур (картофель, ячмень, многолетние травы) близких к производственным условиям, и сравним с балансом этих элементов в оптимальных агроландшафтах, сведения по которым отсутствуют в научной литературе.

Полевые исследования проводились на экспериментальной базе «Будагово» Смолевичского района Минской области. Экспериментальные участки закладывались в наиболее характерной центральной части поля севооборота с однородным и ровным микро- и мезорельефом. Площадь опытного участка 50 м², повторность четырехкратная. Система севооборота: картофель–ячмень–многолетние травы. Проведено торфование опытного участка в дозе 300 т/га торфа.

Биогеохимический круговорот и баланс элементов питания в агроландшафте с картофелем, ячменем и многолетними травами рассчитан как для производственных условий, так и на оптимизированных способом торфования дерново-подзолистых глееватых почвах.

В производственных условиях картофель выращивался в условиях внесения 30 т/га органических удобрений и 300 кг/га NPK, известкование – 5 т/га доломитовой муки. Получен урожай клубней – 160 ц/га, масса корней – 16,8 ц/га, масса ботвы – 21 ц/га. Другие показатели баланса (осадки, пыль, вода, ветровая эрозия) учитывались так же, как и на почвах, оптимизированных торфом. В структуре урожая картофеля в фитомассе на долю клубней приходится 78,6 %, корней 8,09, ботвы 9,37, поверхностных остатков 3,94 %. Основная биомасса картофеля (86,60 %) сосредоточена в подземной части. Из общего количества химических элементов, сосредоточенных в фитомассе, ежегодно с клубнями и ботвой выносится 87,97 %, т. е. 22,72 т/га. Среди отчуждаемых элементов на зольные приходится 0,94 т/га или 4,15 %. Высокий вынос зольных элементов требует, соответственно, и большего возврата их с минеральными и органическими удобрениями. В составе золы по органам картофеля химические элементы распределяются следующим образом: в клубнях аккумулируются K, N, P, Zn, Cu, B, Co; в ботве – Ca, Na, Fe, Mn. Тип химизма картофеля – азотно-калиевый.

В результате получен положительный баланс по N 153,5 кг/га, P 40,2, K 114,6, Ca 1682,6, Mg 49,3 кг/га и отрицательный по микроэлементам (Zn 1,10 кг/га, Mn 1,27, Cu 0,372, B 0,06, Co 0,032 кг/га). Восполнение по макроэлементам составило от их общего содержания элемента в почве (%): N 4,75, K 0,34, P 2,31, Ca 8,26, Mg 0,35. По микроэлементам убыль составила в процентах от общего содержания элемента почве: Zn 0,97, Mn 0,09, Cu 1,19, B 0,014, Co 0,23. Таким образом, в производственных условиях при сложившейся химической мелиорации следует вносить дополнительно в почву микроудобрения. При внесении в почву микроудобрений в дозах (в кг/га) B – 3, Zn – 5, Mn – 10, Cu – 2,5, Co – 2,0, Mo – 2 создавался их положительный баланс в почве. Без внесения микроудобрений отрицательный баланс составил 0,03–1,27 кг/га. Поэтому использованные дозы микроудобрений в полевых опытах нами рекомендуются для производственных условий.

При оптимизации дерново-подзолистых глееватых почв способом торфования (300 т/га в пересчете на абсолютно сухой торф), внесения компоста 80 т/га и доломитовой муки 5 т/га в агроландшафте создается положительный баланс макро- и микроэлементов (табл. 19.1).

Вынос химических элементов на оптимизированной почве с картофелем по макроэлементам меньше (в 10 раз и более), чем привнос в первый год после оптимизации. По микроэлементам вынос меньше привноса, отмечено различие в 2–3 раза. Привнос и вынос для бора практически равны. Получен положительный баланс по макро- и микроэлементам.

В результате полевых опытов определено следующее соотношение вносимых минеральных форм удобрений в расчете на действующее вещество: N (1): P(0,13): K (1,5): Ca (0,47): Mg (0,13): Mn (0,05): Zn (0,02): B (0,002): Cu (0,006): Co (0,0004).

После картофеля выращивался ячмень. Агротехника возделывания была следующей: 10 т/га компоста, N50 P60 K90. В агрофитоценозе с ячменем преобладает надземная часть, в структуре надземной части на долю соломы приходится 34,06 %, зерна 29,43 и поверхностных остатков 10,64 %. Корневая система составляет 25,86 % от общей фитомассы ячменя (9,5–10,5 т/га). С урожаем отчуждается около 65 %, возврат поверхностных остатков и корней – 35 %. Остатки ячменя и картофеля восполняют потери гумуса одинаково (до 0,75 т/га), что составляет 40–50 % от ежегодно минерализующегося перегноя. Закономерности геохимического баланса питательных элементов в производственных условиях аналогичны балансу по картофелю. Положительный баланс получен для N, K, P, Ca, Mg и отрицательный для Zn, Mn, Cu, B, Co. Отрицательный баланс для микроэлементов колебался в пределах 0,017–2,19 кг/га. Минимальные дозы микроудобрений в пределах 2–10 кг/га восполняют их недостаток (табл. 19.1). На опытных оптимизированных методом торфования участках получен положительный баланс при выращивании ячменя для всех исследуемых макро- и микроэлементов. Однако абсолютные величины баланса снизились на 12–35 %, что указывает на необходимость регулярного внесения микроэлементов даже на оптимизированных почвах для поддержания положительного баланса химических элементов.

На третий-пятый год в севообороте выращивался клевер красный и тимофеевка луговая. Емкость биологического круговорота для клевера красного в производственных условиях составила 11 т/га, надземная часть – 6,5 т/га (59,09 %), подземная часть 4,5 т/га (40,9 %), стерня 1,5 т / га (13,6 %). С урожаем отчуждается 45,45 % фитомассы, в почве остается 54,55 % от общей массы. Биогеохимический круговорот и геохимический баланс клевера красного рассчитывался с учетом следующего внесения минеральных удобрений N60 P60 K80. Получен урожай 50 ц/га сена. Положительный геохимический баланс получен для N, K, P, Ca и отрицательный для – Mg, Zn, Mn, Cu, B, Co.

Тимофеевка луговая является наиболее продуктивной культурой. Урожай сена первого укоса составил 40–70 ц/га, второго 40–60 ц/га. Расчет баланса производился исходя из общей фитомассы тимофеевка 15,1 т/га. Доли надземной и подземной части примерно равны (7,6 и 7,5 т/га). Со стерней и корневой системой в почву возвращается большая часть фитомассы (9,1 т/га), что способствует восстановлению и повышению положительного баланса химических элементов в почвах.

Для расчета биогеохимического круговорота был принят урожай сена тимофеевки в производственных условиях 60 ц/га на фоне удобрений N40 P50 K60. В производственных условиях положительный баланс получен для N, K, P, Ca и отрицательный для – Mg, Zn, Mn, Cu, B, Co.

На оптимизированных дерново-подзолистых супесчаных глееватых почвах при выращивании тимофеевки получен положительный баланс макро- и микроэлементов. Кроме того, под травами увеличился положительный баланс N, P, Zn, Mn по сравнению с балансом этих элементов при выращивании ячменя в предшествующий год.

Таблица 19.1

Биогеохимический круговорот и баланс макро- и микроэлементов в агроландшафте с картофелем на оптимизированных дерново-подзолистых глееватых почвах, кг/га [53]

Содержание вносимых макроудобрений и органики влияло не только на продуктивность картофеля и ячменя, но и улучшало качество продукции (табл. 19.2). Снижалось поступление хлора, повышалось содержание белка и крахмала, сахара.

Таблица 19.2

Качество урожая в производственных условиях [49]