2. Роль свойств почв в формировании урожайности сельскохозяйственных культур

Образование и развитие почв тесно связано со всеми остальными компонентами природы. В.В. Докучаев назвал почву "зеркалом и произведением ландшафта", подчеркнув тем самым, что она является результатом взаимодействия всех компонентов и, как в зеркале, отражает это взаимодействие. Все компоненты природы участвуют в формировании почв, поэтому все они были названы В.В. Докучаевым в качестве факторов почвообразования; к ним же были добавлены фактор времени и деятельность человека. Неудивительно поэтому, что основатель генетического почвоведения В.В. Докучаев является одновременно и одним из основоположников учения о ландшафте (ландшафтоведения). Учение о почвах России В.В. Докучаев впервые изложил в своем классическом труде "Русский чернозем" (1883).

Изучение почв нашей страны продолжили многочисленные ученики и последователи Докучаева: Н.М. Сибирцев, С.С. Неуструев, П.А. Костычев, К.Д. Глинка, Л.И. Прасолов, Г.Н. Высоцкий, Б.Б. Полынов, И.П. Герасимов, М.А. Глазовская, В.А. Ковда, В.М. Фридланд и др.

Трудами почвоведов установлено, что почвенный покров России удивительно пестр. Это обусловлено тем, что нет ни одного компонента природы, который бы не влиял на почвы, а каждый из них весьма изменчив в пространстве. Особенно сильное влияние на почвообразование оказывают климат, растительность и горные (материнские) породы, а на размещение почв очень велико влияние рельефа. Отсюда и огромная пестрота почвенного покрова (http://www.ecosystema.ru/08nature/world/geoussr/2-4-2.htm).

Урожай и урожайность - основа всего сельскохозяйственного производства, главные показатели использования сельскохозяйственных угодий, источник роста благосостояния государства и его населения. Повышение урожайности - важнейший фактор снижения затрат на единицу продукции и роста ее конкурентоспособности на рынке. В силу ограниченности земли только рост урожайности может обеспечить увеличение объемов производства продукции растениеводства.

Влияние различных свойств почвы на формирование урожайности, их количественная оценка как фактор эффективного плодородия представлены в работах многих исследователей (Бурлакова, 1984).

Мезорельеф местности во многом определяет урожайность сельскохозяйственных культур. Как результат разнокачественности склоновых земель по увлажнению, почвенному плодородию, микроклимату растения дают неодинаковую урожайность в различных экологических условиях (Белоусов, 2000).

Большую роль в формировании урожайности играют элементы склона. Интенсивное иссушение метрового слоя чернозема, как и повышение влаги в нем, приводит к формированию более низких урожаев.

Наилучшие условия для возделывания зерновых культур складываются на почве плато, южных и восточных склонах, а в засушливых условиях, и на почве ложбин. Возделывание яровой пшеницы на почве северных и западных склонов, а при влажных условиях и на почве ложбин, приводит к снижению продуктивности культуры на 15-21%. При засушливых погодных условиях влияние мезорельефа на продуктивность зерновых культур проявляется сильнее, чем при избытке влаги. Мезорельеф влияет на технологические и посевные качества зерна пшеницы. При влажных погодных условиях на почве разных элементов мезорельефа формируется зерно отличающееся, по содержанию клейковины, на один класс качества. Наиболее качественное зерно образуется на почве склона южной экспозиции. В условиях склонов северной экспозиции получаются семена с пониженной на 19-23% всхожестью (Шпедт, 2003).

Изучение влияния западин в плакорном агроландшафте на характер распределения гидротермических почвенных условий и урожайность яровой пшеницы представлено в коллективной работе Н.И. Добротворской и С.Ю. Капустянчик (2011). Параметры урожайности в опыте характеризуются высокой степенью варьирования: в микрозападине — от 1,4 т/га в центре до 4,5 т/га на склонах, на плакорном участке — от 1,6 до 3,5 т/га. Высокое варьирование данных по урожайности в микрозападине связано с пестротой почвенных условий в ее пределах: в центре увлажнение в фазу всходов, как было сказано выше, составляло 274 мм, что стимулирует повышение засоренности посева и, соответственно, снижение урожайности; на склонах микрозападины складываются условия оптимальные по увлажнению, поэтому урожайность пшеницы здесь максимальная. Однако в целом статистический анализ урожайности яровой пшеницы на исследуемом участке показал несущественость различий по элементам рельефа: на плакоре средняя урожайность составила 2,4 т/га, в микрозападине — 2,8 т/га.

В формировании урожайности не менее важную роль играют также физические свойства почв. По данным Шориной И.В. (2013), в условиях Алтайского Приобья в подзоне обыкновенных черноземов изучено влияние агрофизических свойств почв на урожайность однолетних трав. Информационно-логический анализ показал достаточно высокую информативность к величине урожайности от таких факторов, как запас влаги в почве слоем 0-50 см и её теплопроводности. Коэффициент эффективности канала связи, показывающий меру зависимости между факторами. Наиболее высок он между урожайностью и запасом влаги в почвенном слое (К = 0,3112). Достаточно высокая связь наблюдается между урожайностью и теплопроводностью почвы (К = 0,2609). Анализируя доли участия каждого фактора на урожайность, необходимо отметить, что их процентные соотношения высоки. Наибольшее влияние на урожайность оказывает влагосодержание слоя 0-50 см (33%), в котором происходит развитие корневой системы растений. Вторую позицию занимает теплопроводность чернозема (25%). Слабее влияют на урожайность трав сумма температур в слое 0-50 см (17%) и температура поверхности почвы (12%).

Гумус оказывает на урожай прямое и косвенное влияние. Прямое влияние обусловлено использованием растениями содержащегося в гумусе азота и других питательных веществ, косвенное – в улучшении условий произрастания на более гумусированных почвах и в повышении коэффициента использования питательных веществ удобрений. Результаты исследований показали что особенно сильно проявляется благотворный эффект на дерново-подзолистых почвах (особенно бедных органическим веществом). Урожайность после проведенной гумификации при росте содержания гумуса с 1,5% до 2,5% урожайность увеличивалась для ячменя: с 26 до 58 ц/га, для пшеницы: с 25,3 до 43,5 ц/га, озимой ржи: с 31,3 до 42,8 ц/га (Жуков, 1988).

По данным И.Н. Шаркова (1986), при использовании черноземов под пашню в течение 20-150 лет содержание гумуса в пахотном слое уменьшается по сравнению с целиной не более чем на 25 %. Эти потери гумуса обусловлены, главным образом, резким уменьшением поступления в пахотные черноземы растительного вещества и поэтому объективно неизбежны. При оптимальной интенсификации земледелия (т.е. при применении оптимальных доз минеральных и органических удобрений и рациональной системе обработки почвы) содержание гумуса в черноземах, как свидетельствуют многочисленные данные полевых опытов, увеличивается незначительно - всего лишь на 0,1 - 0,2 %. Существенно повысить содержание гумуса в пахотных черноземах, в, том числе до уровня целины, можно только двумя путями: за десятки и сотни лет - за счет залужения, за несколько лет - благодаря внесению мелиоративных доз (60-100 т/га ежегодно и более) подстилочного навоза и торфа.

С целью определения потребности в оптимизации или в воспроизводстве запасов ОВ в почве введено понятие критического уровня его содержания, под которым подразумевается такое содержание органического углерода (Сорг) в пахотном слое почвы, ниже которого происходит снижение урожайности культур, несмотря на достаточное применение минеральных удобрений. Каждому типу почвы свойственен свой критический (пороговый) уровень содержания ПОВ. Агротехнические мероприятия, применяемые с целью повышения урожайности культур (оптимальные дозы удобрений, минимизация механической обработки почвы, изменение доли чистого пара в севооборотах), обеспечивали увеличение содержания (Сорг) в выщелоченном черноземе на 0,1-0,2%, а ежегодное внесение соломы в дозах 3,0-9,0 т/га – на 0,1-0,3% (Шарков, 2011).

В условиях Канской лесостепи количество гумуса за 70-80 лет в пахотном слое выщелоченных черноземов уменьшилось, на 19 %, оподзоленных на 12,7 % (Крупкин, 1989). Поскольку, в подзонах лесостепи, эрозионные процессы выражены слабо, потери гумуса относят к «биологическим». При проявлении эрозионных процессов потери гумуса могут быть более значительными (Бурлакова, 1984; Кирюшин, Лебедева, 1984). Например, по данным А. А. Титляновой (1982), после распашки целины поступление растительных остатков в черноземы в условиях зерновых агроценозов уменьшается в 3-4 раза.

По данным Никитиной, Шпедта (2008) выявлено существенное влияние на продуктивность зерновых культур содержания общего углерода гумуса, подвижных гумусовых веществ, извлекаемых 0,1 н NaOH, влажности почвы в слое 0-50 см и рН солевой суспензии. Была обнаружена сильная обратная зависимость между продуктивностью пшеницы и рН сол: r=-0,72...0,76. На ячмене данная зависимость проявилась слабее, так как данная культура относится к группе солеустойчивых и, по сравнению с пшеницей лучше переносит повышение рН почвенного раствора. Установлена средняя зависимость (r= +0,42…+0,62) между влажностью почвы и продуктивностью пшеницы и ячменя. При повышении влажности в слое почвы 0-50, соответственно повышалась и урожайность.

Продуктивность сельскохозяйственных культур в большой степени зависит от кислотности почвы, которая оказывает отрицательное воздействие на растения. Наиболее существенными факторами, связанными с кислотностью почвы и резко снижающими продуктивность сельскохозяйственных культур, являются обменный водород и подвижный алюминий (Танделов, 2012).

Подвижный алюминий в почвах резко увеличивается при pH ниже 5,0, его токсичность начинает проявляться, как правило, на самых ранних этапах развития растений через подавление роста корней (Небольсин, Небольсина, 1997).

Как правило, на кислых почвах культурные растения страдают из-за высокого содержания в почве подвижного алюминия. При этом, чем меньше pH, тем относительно большее количество валового алюминия переходит в подвижные формы и становится легкодоступным для растений. В связи с этим культурные растения страдают в основном из-за наличия в почве большого количества подвижного алюминия, хотя виды растений по-разному реагируют на концентрацию данного токсиканта. Однако и на одной культуре в зависимости от свойств почв токсичность этого элемента проявляется неодинаково. Так, например, на почвах с низким содержанием гумуса токсичность алюминия проявляется сильнее, чем на высокогумусированных почвах(Авдонин, 1969). По его данным, прибавка пшеницы сорта «Московка», выведенного на кислых почвах Подмосковья, от известкования составила 47%, в то же время сорт «Лютесценс-62», выведенный на карбонатном черноземе Саратовской области, повысил урожайность от этого приема в 3–4 раза больше, чем сорт «Московка».

По данным М.Ф. Корнилова (1987), сорта яровой пшеницы «Диамант» (шведской селекции), «Тулун-70», «Лютесценс-62» по-разному отзывались на известкование. Сорт «Диамант» одинаково хорошо произрастал как на почвах с близкой к нейтральной реакцией среды, так и на сильнокислых.

Аналогичные результаты были получены и для овса сорта «Сельма», который считается традиционной культурой для кислых почв Красноярского края и прекрасно растет без известкования. Этот сорт шведской селекции выведен на кислых почвах, среднеспелый (65–85 дней), интенсивного типа, с относительно короткой, устойчивой к полеганию соломиной. Отличается высокой продуктивностью. Потенциальная урожайность в крае достигает 62–68 ц/га. Сорт «Сельма» по посевным площадям в крае занимает лидирующее положение (Танделов, 2012).

В целом следует отметить, что в условиях Красноярского края зерновые и ряд кормовых культур довольно устойчивы к кислотности почв и практически на известкование не реагируют. Однако следует иметь в виду, что кислые почвы Красноярского края характеризуются высоким содержанием гумуса и суммой обменных оснований, низким содержанием обменной кислотности, подвижного алюминия.

Значительный вынос кальция может происходить с урожаями сельскохозяйственных культур. Насколько это отражается на динамике кислотности почв в условиях Средней Cибиpи видно на примере черноземов ОАО «Назаровское». Данное хозяйство получает в регионе самые высокие урожаи сельскохозяйственных культур. За прошедшие 40 лет (с 1965 г.) они стабилизировались на уровне 35–37 ц/га зерна (Танделов, 2012). В европейской части Нечерноземной зоны преобладают дерново-подзолистые суглинистые почвы (68%), супесчаные и песчаные занимают 17%, глинистые - 15%. Наиболее благоприятными агрофизическими свойствами для сельскохозяйственных культур обладают легко- и среднесуглинистые почвы. Глинистые, супесчаные и песчаные дерново-подзолистые почвы, как правило, менее плодородны по сравнению с суглинистыми.

В Нечерноземье, в условиях гумидного климата, происходит процесс обеднения корнеобитаемого слоя почв основаниями и его подкисление. На кислых почвах эффективность минеральных удобрений снижается на 30-40%, в растениях в 3-8 раз увеличивается накопление тяжелых металлов и радионуклидов. Ежегодный недобор урожая в Нечерноземной зоне из-за избыточной кислотности составляет 8-10 млн. т. в пересчете на зерно (Шильников И.А, Сычев В.Г. и др., 2008). В свое время Д.И. Прянишников писал, что почвы в Нечерноземной зоне, не знающие сильных засух, при известковании и внесении необходимого количества минеральных и органических удобрений могут давать высокие устойчивые урожаи, а гарантированный сбор зерна позволит застраховать страну от последствий засух, часто наблюдаемых в южных районах (http://agro-melioration.ru/sistema-udobreniya/876-vliyanie-vneshnih-usloviy-na-urozhaynost-selskohozyaystvennyh-kultur.html).

По результатам исследования Шильникова (1987), каждая тонна извести за ротацию восьмипольного севооборота дает общую прибавку урожая всех культур в переводе на зерно 7-8 ц/га, а за все время своего действия - 12-15 ц/га. Сдвиг рН от 1 т СаСО3 на супесчаных почвах составил 0,17-0,25, суглинистых 0,12-0,19 и на тяжелосуглинистых 0,09-0,11. За 8-10 лет дерново-подзолистая произвесткованная почва подкисляется на 0,4-0,5 единиц. Действие известкования носит длительный характер, и при внесении извести в рекомендованных дозах оно проявляется в течение 15-20 лет и больше (Шильников и др., 2008).

Скорость взаимодействия карбонатов с почвой - многоэтапный и длительный процесс. Она зависит от дозы применения мелиоранта, а также от свойств почв. Так, через 15 месяцев после известкования дерново- подзолистой почвы легкого гранулометрического состава осталось 35% непрореагировавшей извести (Симачинский, 1976). В исследованиях А.Н. и З.П. Небольсиных (2005), через 1 год после известкования неразложившейся извести оставалось от 25 до 84% в зависимости от дозы применения стандартной известняковой муки (изучали дозы от 5,5 до 15 т/га). В работе И.А. Шильникова и Л.А. Лебедевой (1987), установлено, что на 14 год после внесения извести рН почвы была равна 5,0, гидролитическая и обменная кислотность соответственно 3,2 и 0,09 мг-экв/100 г почвы. Через 3 ротации севооборота величина рН понизилась до 4,7. В исследованиях Н.И. Акановой (2002), наибольший эффект от известкования достигался на 3-6 год последействия извести. В течение последующих двух лет сдвиг был равен 0,02-0,04 ед. рН, затем происходило его увеличение до 0,05-0,06 ед.

Бездефицитный баланс органического вещества можно иметь только при внесении высоких доз органических удобрений совместно с минеральными. Одни минеральные удобрения, как правило, не повышают содержание гумуса в почве, а следовательно, и валового азота. Считается, что увеличить содержание гумуса на 0,03-0,04% можно внесением на связанных почвах органических удобрений в дозе 10-11 т/га, на легких (супесях и песках) - 17-18 т/га (Лебедева, 1989).

В целом, формирование урожая протекает под совокупным влиянием широкого спектра внешних факторов: климатических (водного, температурного и воздушного режимов), свойств почвы (агрохимических, биологических и физических), а также агротехнических приемов возделывания сельскохозяйственных культур, каждый из которых оказывает определенное непосредственное или косвенное действие на продуктивность посевов. В этой связи при разработке технологий получения высоких урожаев с заданным качеством продукции необходимо учитывать, и по возможности регулировать участие в формировании урожая каждого фактора роста и развития растений, и в первую очередь тех, которые больше всего лимитируют продуктивность - это влагообеспеченность, pH, содержание элементов питания в почве и др. Агрофизические свойства почвы (плотность, скважность, влагоёмкость, воздухопроницаемость и др.), обусловленные в значительной мере ее гранулометрическим составом и содержанием гумуса, оказывает большое влияние на продуктивность посевов и эффективность удобрений. Ухудшение физических свойств почв при уплотнении почвы под воздействием ходовых систем сельскохозяйственных машин приводит к существенному снижению урожайности и, прежде всего, овощных культур, корне-, клубнеплодов. Значительное снижение урожайности картофеля, сахарной свеклы, моркови и других корнеплодов обусловлено большой затратой растениями энергии на механическую работу по деформации уплотненных почв во время роста и увеличения объема сильно погруженные в почву корнеплодов (сахарная свекла, морковь) и клубней (http://agro-melioration.ru/sistema-udobreniya/876-vliyanie-vneshnih-usloviy-na-urozhaynost-selskohozyaystvennyh-kultur.html).