Плодородие почвы

Плодородие — это способность почвы обеспечивать оптимальные факторы жизни растений, включая достаточное количество питательных веществ в подвижной форме и трансформировать их в почвенный запас и обратно; проявлять фитосанитарные свойства, быть устойчивой к неблагоприятным факторам и пригодной для использования современных технологий возделывания культур.

Естественное плодородие почвы

Естественное плодородие — плодородие, сложившееся в результате естественного почвообразовательного процесса за длительный период времени и определяется такими факторами, как гранулометрический, химический состав почвы и климат. В условиях естественного плодородия часть питательных веществ находится в недоступной для растений форме. В ряде случаев наблюдается постоянный дефицит некоторых элементов, например, азота.

Воздействие человека на почвы с естественным плодородием путём её обработки, привело к изменению режимов, что сказалось на обеспеченности и доступности растений факторами жизни. Благодаря влиянию природных факторов и деятельности человека, заключающейся в обработке почвы, использовании удобрений, орошения, применения севооборотов и т. д., сформировалось эффективное плодородие почвы.

Показатели плодородия почв

Плодородие почвы оценивается тремя видами показателей:

Агрофизические показатели плодородия почв — комплекс свойств почвы, характеризующих гранулометрический, минералогический состав, структуру, плотность, порозность, воздухо- и влагоёмкость, а также агротехнологические параметры почв. Агрофизические показатели влияют прямо или косвенно на все факторы жизни растений и условия почвообработки.

Биологические показатели плодородия почвы — состав и количество органического вещества, активность биоты, фитосанитарное состояние. Биологическая активность характеризует интенсивность почвенных биологических процессов. Полезные микроорганизмы почвы принимают участие в круговороте питательных веществ, выделяют энзимы, антибиотики, стимуляторы роста и другие органические вещества, влияющие на развитие растений.

Агрохимические показатели плодородия почв — содержание и доступность питательных элементов, реакция почвенной среды (кислотность почвы) и др.

На доступность питательных элементов оказывает влияние ряд факторов, один из которых реакция почвенной среды.

Поступление питательных веществ в естественных условиях протекает довольно медленно за счёт процессов азотфиксации, поступления с атмосферными осадками, пылью, грунтовыми и стоковыми водами. В условиях обрабатываемых земель агрохимические показатели регулируются внесением удобрений и мелиорантов.

В большинстве случае интегральным показателем плодородия является содержание органического вещества и его качественное состояние. Выбор именно этого показателя объясняется функциональным значением органического вещества в почвообразовательных процессах. Развитие почвы как естественно-исторического тела является результатом постоянного процесса синтеза и разрушения органического вещества, обеспечивающего непрерывность круговорота веществ и энергии при почвообразовании.

Органическое вещество оказывает существенное влияние на важнейшие агрономические свойства почвы: агрофизические, биологические и агрохимические, а также фитосанитарное состояние.

Повышение содержания органического вещества в почве — долговременная задача, которая должна исходить из реальных возможностей воспроизводства органического вещества пахотных почв. Эффективная реализация этой задачи возможна при долговременном, планомерном и систематическом воздействии комплекса практических приёмов.

Оптимальное содержание органического вещества определяется типом почвы, эффекта от количественной прибавки урожая и затратами на воспроизводство этого показателя.

Показатели плодородия находятся в корреляции с урожаем и в большинстве случаев взаимосвязаны между собой. Некоторые из них основополагающие, определяющие состояние всех почвенных процессов, например, гранулометрический и минералогический составы, фитосанитарное состояние, другие являются их производными.

Воспроизводство плодородия

Окультуривание вновь осваиваемых почв

Окультуривание почв — улучшение естественных свойств почвы с помощью агромелиоративных мероприятий, то есть с использованием культуртехнического воздействия на пахотные земли, увеличением размера контуров поля, выравниванием, удалением камней и т. д.

Окультуривание почв применяют для вновь осваиваемых земель с очень низким естественным плодородием, например на подзолистых, солончаковых, сильносмытых почвах, при припахивании неплодородного подпахотного горизонта. В этих случаях, происходит не воспроизводство, а создание плодородия. Эта задача актуальна при восстановлении почвы в горных районах или торфяных разработках.

Рекультивация земель — восстановление культурного плодородия на ранее использованных почвах.

Воспроизводство плодородия

Восстановление плодородия почвы основывается на достижении оптимальных показателей плодородия почвы применительно к конкретным условиям производства и технологии воспроизводства плодородия. В его основе заложен закон возврата.

Воспроизводство плодородия можно разделить на простое и расширенное.

Простое воспроизводство плодородия — мероприятия, направленные на возвращение плодородия почвы к исходным параметрам.

Расширенное воспроизводство плодородия — мероприятия, направленные на восстановление плодородия почв выше их исходных параметров. Расширенное воспроизводство особенно актуально в условиях интенсивного земледелия, в котором в оборот включены земли с низким естественным плодородием. Для дерново-подзолистых почв расширенное воспроизводство является обязательным условием ведения стабильной сельскохозяйственной деятельности.

Управление плодородием почв — комплекс мероприятий, направленных на контроль плодородия почв и простое или расширенное его воспроизводство в условиях конкретного предприятия. Оно основывается на модели, выстроенной с учётом фактических значений показателей плодородия.

Пример модели плодородия на дерново-подзолистых среднесуглинистых почвах Нечернозёмной зоны России. Продуктивность модели 4,5-6,0 т зерна, или 6500-7500 корм. ед.

Показатели плодородия и их параметры Технологические и вещественные факторы простого воспроизводства плодородия
Агрофизические
1. Плотность — 1,1-1,2 г/см3, порозность — 50-55%, воздухоемкость — 25-30%. Обработка почвы — равноглубинная, сочетающая отвальные и безотвальные приёмы, почвозащитная, с элементами минимизации
2. Структура — мелкокомковатая, водопрочность макроструктуры — более 40%.
3. Мощность пахотного слоя — 25-30 см. Подзолистый горизонт отсутствует.
Биологические
1. Содержание в пахотном слое гумуса — 2,5-3%, запас — 75-90 т/га. Внесение органических удобрений — 10-12 т/га.
Посев многолетних трав — 25-30% общей структуры посева
2. Активность почвенной биоты высокая.
3. Фитосанитарное состояние — численность сорных растений на уровне экономического порога вредоносности, возбудители болезней и вредители отсутствуют.
Агрохимические
1. Состояние ППК и кислотности: pH = 6,0-6,5, 7-12 мг·экв, V = 80-90%. Известкование по полной гидролитической кислотности 1 раз в 5-6 лет.
2. Содержание NPK, мг/кг почвы: минеральный азот — 30-50; подвижные формы фосфора — 150-250; подвижные формы калия — 200-250. Внесение минеральных удобрений: NPK — 250-300 кг/га севооборотной площади.
Соотношение N:P:K = 1 : 0,5-0,6 : 1,2-1,3.
3. Содержание микроэлементов, мг/кг почвы: медь — 0,8-1,2; молибден — 0,2-0,4; бор — 0,5-0,6; цинк — 5-7.

Способы воспроизводства плодородия

Воспроизводство плодородия в современном земледелии осуществляют двумя способами: вещественным и технологическим.

Вещественный способ воспроизводства плодородия основан на применении удобрений, мелиорантов, пестицидов и т. д. Оказывает наиболее полное и многообразное действие на плодородие почвы за счёт восполнения запасов питательных веществ.

Технологический способ воспроизводства основан на использовании севооборота, различных способов обработки почвы и способов посева, промежуточных культур и др. Мобилизует почвенные ресурсы, но не восполняет их, поэтому применение только этого способа не способно обеспечить долгосрочный эффект воспроизводства плодородия.

Оптимизация плодородия

Плодородие почвы оценивают по комплексу показателей в соответствии со специализацией севооборота.

Оптимальные показатели плодородия достигаются применением комплекса агротехнических приёмов и агрохимических средств. Почвенным институтом имени В. В. Докучаева предложены параметры показателей плодородия почв, обеспечивающие высокую урожайность культур.

Таблица. Показатели плодородия разных почв и урожаи сельскохозяйственных культур.

Показатель плодородия почв и урожайность Типы суглинистых почв
чернозём обыкновенный серая лесная дерново-подзолистая серозём типичный
Агрофизические свойства почв
Пахотный слой, см 35 30 27 35
Плотность, г/см3 1,10 1,20 1,25 1,30
Пористость общая, % 59 55 50 46
Влагоёмкость, % от массы 30 29 27 25
Водопрочные агрегаты 0,25 мм, % 60 50 40 25
Агрохимические и физико-химические свойства почв
Гумус, % / т/га 7,0/270 3,0/90 2,5/75 1,3/60
Азот, % / т/га 0,30/12,0 0,20/7,2 0,15/5,0 0,14/6,3
Фосфор подвижный, мг/кг почвы 200 200 200 40
Калий обменный, мг/кг почвы 350 200 150 4000
Урожайность культур, т/га
Пшеница озимая 6,0 5,0 4,5 5,0
Ячмень - 4,5 3,2 4,0
Многолетние травы 12,0 7,5 5,5 12,0
Картофель - 25,0 25,0 12,0
Хлопчатник - - - 4,5

Таблица. Оптимальные параметры свойств пахотного горизонта лесостепных почв (по Карманову Н. И., 1993).

Наименование параметров Серые лесные Чернозёмы оподзоленные и выщелоченные
1. Морфологические
Мощность, см 29-35 30-35
2. Агрофизические
Плотность сложения, г/см3 1,15-1,25 1,05-1,10
Общая порозность, % 52-56
Количество водопрочных агрегатов (фракция с размером частиц 0,25 мм) 55-65
3. Биохимические и физико-химические
Содержание гумуса, % 5,0-6,0
Запасы гумуса, т/га 160-230 160-230
Тип гумуса Сгк : Cфк 1,2-1,6
Количество лабильных гумусовых кислот, мг С/кг нет данных нет данных
pH солевой 6,0-6,2 6,0-6,5
Гидролитическая кислотность ммоль/100 г почвы 1,5-2,5 2,5-3,5
Сумма поглощённых оснований, ммоль/100 г почвы 15-25 25-35
Степень насыщенности основаниями, % 88-92 90-95
4. Агрохимические
Подвижные формы фосфора, мг/кг почвы 200-250 180-230
Подвижные формы калия, мг/кг почвы 200-250 150-200

Для дерново-подзолистых почв важным показателем является кислотность, которая определяется с учётом специализации севооборота, биологических особенностей культур, гранулометрического состава почвы, суммы и состава поглощённых катионов. Проблема оптимизации реакции почвенного раствора обусловлена применением физиологически кислых минеральных удобрений, приводящих к обеднению пахотного слоя кальцием. Поддержание оптимальной реакции среды кислых почв связано с научно обоснованной технологией известкования.

Первоочередно плодородие почвы определяется содержанием органического вещества. Установлены оптимальные параметры содержания гумуса в дерново-подзолистых почвах в зависимости от гранулометрического состава: в песчаных — 1,8-2,0, супесчаных — 2,0-2,5, суглинистых — 2,6-3,0. Для поддержания бездефицитного баланса гумуса необходимо ежегодно вносить соответственно 16-18 т/га, 13-15 т/га и 10-12 т/га навоза. Для поддержания оптимального содержания гумуса в кислых дерново-подзолистых и серых лесных почвах сочетают известкование, внесение органических и азотных удобрений в дозах, покрывающих более 90% выноса азота культурами, включение в структуру посевных площадей бобово-злаковых травосмесей. Дозы органических удобрений определяют в зависимости от содержания гумуса и гранулометрического состава. Оценку азотного режима почв проводят по содержанию минерального азота.

Одной из характеристик окультуренности почв является содержание подвижного фосфора. При этом следует ориентироваться на наиболее требовательные к фосфорному питанию культуры севооборота для конкретных почвенно-климатических условиях. Нижняя граница содержания подвижных форм фосфора определяется с учётом оценки содержания фосфора при максимальном урожае культуры и отсутствия эффекта от дополнительного внесения фосфорных удобрений. Согласно обобщённым данным длительных опытов нижняя граница содержания P2O5 составляет 100-150 мг/кг для дерново-подзолистых суглинистых почв, 50-100 мг/кг — для песчаных и супесчаных почв, 100-150 мг/кг — для серых лесных почв. Дальнейшее увеличение содержания подвижного фосфора не обеспечивает существенного прироста урожайности.

Таблица. Продуктивность севооборота и содержание подвижных форм фосфора в длительных опытах Геосети (1993)

Учреждение, почва Варианты опыта Продуктивность севооборота, ц зерновых единиц/га Среднегодовая доза P2O5, кг/га Содержание подвижного P2O5, мг/кг
ЦОС ВИУА, дерново-подзолистая тяжелосуглинистая Контроль 29,0 - 56
NPK — пониженная доза 36,4 64 103
NPK — основная доза 37,8 90 120
НИИСХ Северо-Востока, дерново-подзолистая средне-суглинистая Контроль 29,0 - 46
NPK 35,0 21 54
NPK 45,0 84 169
ВНИИ льна, дерново-подзолистая суглинистая Контроль 15,2 - 106
NPK 25,0 45 111
Навоз + NPK 32,7 75 170
Судогодская ОС, дерново-подзолистая супесчаная Контроль 26,6 - 16
NPK 36,7 25 24
2 NPK 38,4 50 50
Навоз + NPK 40,2 75 63
Владимирская ОС, серая лесная Контроль - 28,6 132
NPK 34 34,6 132
NPK 37 35,8 154
2 NPK 68 37,2 163

Важность оптимизации фосфорного режима питания связано с тем, что значительные площади пахотных земель характеризуются низким содержанием подвижного фосфора. За оптимальный уровень содержания подвижного фосфора в почве принято считать тот, при котором достигается не менее 90-95% максимального урожая, недостающие 5-10% восполняются фосфорными удобрениями, компенсирующими вынос.

В условиях орошения требуются более высокие уровни обеспеченности подвижным фосфором. Увеличение содержания подвижного фосфора от низкого (2-4 мг/100 г почвы) до среднего (8-10 мг/100 г почвы) даёт наиболее высокие прибавки урожая. Дальнейшее повышение приводит к снижению величины прибавок, а достигнув оптимальных значений, урожайность культур стабилизируется.

Таблица. Нормы удобрений на увеличение содержания подвижного фосфора на 10 мг P2O5/кг почвы (по Литваку Ш. И., 1990; Сычёву В. Г., Шафрану С. А., 2013).

Почва Гранулометрический состав Метод определения Затрата удобрений, кг/га
варьирование данных норматив1
Дерново-подзолистая песчаная и супесчаная по Кирсанову 47-90 50-70
лёгкий суглинок 60-108 70-80
средний суглинок 60-110 80-90
тяжёлый суглинок 90-120 100-110
Серая лесная песчаная и супесчаная по Кирсанову 70-80 70-80
суглинистая 80-110 90-110
тяжёлый суглинок 120-140 120-140
Чернозём оподзоленный лёгкий суглинок по Чирикову 74-109 90-100
суглинок 80-120 100-110
Чернозём выщелоченный тяжёлый суглинок по Чирикову 90-135 110-120
Чернозём типичный тяжёлый суглинок по Чирикову 103-141 120-130
Чернозём обыкновенный суглинок по Чирикову 94-122 100-110
тяжёлый суглинок 100-140 120-130
Чернозёмы карбонатные В среднем по Мачигину - 110-120
Каштановые В среднем по Мачигину - 90-110
1 С учётом выноса фосфора урожаем и коэффициентов его возвращения

Таблица. Градации обеспеченности почв подвижным фосфором, мг/кг почвы (Методические указания по проведению комплексного мониторинга плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения, 2003).

Степень обеспеченности Метод Кирсанова Метод Чирикова Метод Масловой Метод Эгнера-Рима
Очень низкая < 25 < 20 < 50
Низкая 26-50 21-50 51-100 < 70
Средняя 51-100 51-100 101-150 71-140
Повышенная 101-150 101-150 151-200 > 140
Высокая 151-250 151-250 201-300
Очень высокая > 250 > 250 > 300

Показателем обеспеченности растений калием является его содержание в почве в обменной форме. В почве имеются запасы калия и существует динамическое равновесие между калием почвенного раствора, обменным и необменным (фиксированным и калием природных глинистых минералов). В процессе питания растений динамическое равновесие нарушается и вовлекаются все формы почвенного калия. При этом значение имеют подвижность обменного калия, скорость его восстановления из необменных форм.

Таблица. Градации обеспеченности почв подвижным (обменным) калием, мг/кг почвы (Методические указания по проведению комплексного мониторинга плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения, 2003).

Степень обеспеченности Метод Кирсанова Метод Чирикова Метод Мачигина Метод Масловой Метод Эгнера-Рима
Очень низкая < 40 < 20 < 100 < 50
Низкая 41-80 21-40 101-200 51-100 < 70
Средняя 81-120 41-80 201-300 101-150 71-140
Повышенная 121-170 81-120 301-400 151-200 > 140
Высокая 171-250 121-180 401-600 201-300
Очень высокая > 250 > 180 > 600 > 300

Обеспеченность почв подвижным калием определяется разными методами в зависимости от типа почвы. Оптимальные уровни обеспеченности обменным калием могут уточняться при специализации севооборота, известковании кислых почв, обеспеченности азотом, фосфором, биологических особенностей культур.

Таблица. Обеспеченность почв обменным калием и продуктивность севооборотов.

Почва K2O, мг/кг Продуктивность, ц/га зерновых единиц в год
Дерново-подзолистые супесчаные и суглинистые 150-200 35-45
Серые лесные 100-150 40-50
Чернозёмы выщелоченные и типичные (лесостепь) 150-200 45-60
Чернозёмы мощные, обыкновенные и карбонатные (степь) 150-200 35-45
Чернозёмы обыкновенные и карбонатные (степь, при орошении) 250-300 50-65
Каштановые, светло- и тёмно-каштановые (степь, при орошении) 250-300 65-90

Расход калийных удобрений на увеличение содержания калия в почве представлен в таблице.

Таблица. Нормы удобрений на увеличение содержания подвижного K2O на 10 мг/кг почвы (по Литваку Ш. И., 1990).

Почва Гранулометрический состав Метод определения Затраты удобрений, кг/га д. в.
Дерново-подзолистая супесчаная по Кирсанову 40-60
лёгкий и средний суглинок 60-80
тяжёлый суглинок 80-100
Серая лесная супесчаная по Кирсанову 60-70
лёгкий и средний суглинок 70-80
тяжёлый суглинок 80-90
Чернозём оподзоленный и выщелоченный в среднем по Чирикову 80-90

М. Х. Шаймухаметовым и Д. С. Травниковым (1977) были предложены оптимальные параметры содержания обменного калия в зависимости от его доли в ёмкости катионного обмена (ЕКО) почв с различным гранулометрическим составом.

Таблица. Оптимальные показатели содержания обменного калия в почвах (М. Х. Шаймухаметов, Л. С. Травникова, 1997).

Почвы (гранулометрический состав) Оптимальное содержание обменного калия
K2O, мг/кг % от ЕКО
Песчаные 140-160 5-10
Супесчаные 160-190 3-5
Суглинистые 190-220 1,8-3
Тяжелосуглинистые и глинистые 220-250 1,2-1,8

Пределы варьирования минимального содержания обменного калия для дерново-подзолистых почв представлены в таблице.

Таблица. Уровни варьирования минимального содержания обменного калия для дерново-подзолистых почв различного гранулометрического состава (Никитина Л. В., 2011).

Гранулометрический состав Содержание физической глины (частиц <0,01 мм), % Уровни K2Omin, мг/кг почвы
Супесь 10,1-20,0 50-70
Суглинок лёгкий 20,1-30,0 55-85
Суглинок средний 30,1-40,0 55-105
Суглинок тяжёлый 40,1-50,0 70-110

На основе обобщённых экспериментальных данных определены градации степени обеспеченности почв почвенно-климатических зон России подвижными формами микроэлементов.

Таблица. Градация обеспеченности почв России подвижными формами микроэлементов (Ягодин, Жуков, Кобзаренко, 2002).

Микроэлемент Биогеохимическая зона Почвенная вытяжка Обеспеченность почв, мг/кг почвы
очень бедная бедная средняя богатая очень богатая
B Таёжно-лесная H2O < 0,2 0,2-0,4 0,4-0,7 0,7-1,1 > 1,1
Cu 1,0 н. HCl < 0,9 0,9-2,1 2,1-4,0 4,0-6,6 > 6,6
Mo оксалатная < 0,08 0,08-0,14 0,14-0,30 0,30-0,46 > 0,46
Mn H2SO4 < 1,0 1,0-25 25-60 60-100 > 100
Co HNO3 < 0,4 0,4-1,0 1,0-2,3 2,3-5,0 > 5,0
Zn 1,0 н. KCl < 0,2 0,2-0,8 0,8-2,0 2,0-4,0 > 4,0
B Лесостепная и степная H2O < 0,2 0,2-0,4 0,4-0,8 0,8-1,2 > 1,2
Cu 1,0 н. HCl < 1,4 1,4-3,0 3,0-4,4 4,4-5,6 > 5,6
Mo оксалатная < 0,10 0,10-0,23 0,23-0,38 0,38-0,55 > 0,55
Mn H2SO4 < 25 25-55 55-90 90-170 > 170
Co HNO3 < 1,0 1,0-1,8 1,8-2,9 2,9-3,6 > 3,6
Zn 1,0 н. KCl < 0,15 0,15-0,30 0,30-1,0 1,0-2,0 > 2,0
Zn ацетатно-аммонийная < 4,0 4,0-6,0 6,0-8,8 > 8,8 -
B Сухостепная и полупустыня H2O < 0,4 0,4-1,2 1,2-1,7 1,7-4,5 > 4,5
Cu 1,0 н. KNO3 + HNO3 (по Гюльахмедову) < 1,0 1,0-1,8 1,8-3,0 3,0-6,0 > 6,0
Mo < 0,05 0,05-0,15 0,15-0,50 0,5-1,2 > 1,2
Mn < 6,6 6,6-12 12-30 30-90 > 90
Co < 0,6 0,6-1,3 1,3-2,4 > 2,4 -
Zn < 0,3 0,3-1,3 1,3-4,0 4,0-16,4 > 16,4

Таблица. Эффективность применения микроудобрений под основные сельскохозяйственные культуры по обобщённым данным полевых опытов (1993).

Культура Средняя прибавка урожая от микроэлементов, ц/га
B Mo Zn Cu Co Mn
Пшеница, ячмень (зерно) 1,4 2,1 2,5 3,7 2,7 1,9
Кукуруза, зелёная масса 51 49 44 50 40 39
Сахарная свёкла, корнеплоды 32 23 32 14 20 28
Картофель, клубни 20 20 24 13 18 28
Клевер, семена 0,5 0,5 - 0,4 - -
Многолетние травы, зелёная масса 25 46 18 32 34 22

Научно-исследовательскими учреждениями Белоруссии проведены исследования по определению оптимальных показателей и разработана модель плодородия дерново-подзолистых суглинистых почв.

Построение системы управления плодородием

Построение системы управления плодородием начинают с определения оптимальных параметров модели плодородия. Для построения реализуемой модели, следует учитывать экспериментальные характеристики конкретных земледельческих районов с целью объективной агрономической оценки почв.

Оценка эффективности дифференцированных, экспериментально определенных моделей плодородия должна дополняться экономической оценка, которая позволяет сопоставить получаемый от модели эффект с затратами на её поддержание в конкретных природно-экономических условиях производства. Агроэкономическая оценка моделей плодородия позволяет определить уровни воспроизводства плодородия, как в целом, так и по отдельным показателям — простое или расширенное воспроизводство.

Воспроизводство плодородия в интенсивном земледелии должно осуществляться по всем показателям плодородия, но первостепенное значение следует отдавать наиболее важных из них для конкретных почв и условий ведения сельскохозяйственного производства.

Литература

  • Баздырев Г. И., Лошаков В. Г., Пупонин А. И. и др. Земледелие. Учебник для вузов. М.: Издательство «Колос». 2000
  • Никляев В. С. Основы технологии сельскохозяйственного производства. Земледелие и растениеводство. М.: «Былина». 2000
  • Минеев В. Г., Сычёв В. Г., Гамзиков Г. П. и др. Агрохимия. Учебник. / Под ред. Минеева В. Г. М.: Изд-во ВНИИА им. Д. Н. Прянишникова. 2017