Water-physical properties of chestnut soils depending on different tillage practices and irrigation regimes

Full Text

Введение

В мировом земледелии посевы кукурузы занимают ведущие позиции, что обусловлено ее универсальным назначением, высокой урожайностью и энергетической ценностью, в частности корма из этой культуры подходят для кормления всех видов сельскохозяйственных животных и птиц, зерно можно использовать для производства биотоплива. В 2019 г. посевами кукурузы было занято более 191 млн га, или 10 % всех посевных площадей в мире. При этом почти 48 % приходится на Китай, США и Бразилию.

Важными факторами в получении стабильно высоких урожаев зерна кукурузы остаются оптимальный водный режим и структура почвы с макроагрегатами размером 0,25…10,0 мм [1–6].

Орошаемые почвы в состоянии увлажнения легко уплотняются при воздействии механического давления, а Na+, K+ и NH4+, привносимые с минеральными удобрениями, вытесняют обменный кальций из ППК (почвенно-­поглощающий комплекс) и нарушают устойчивость почвенной структуры. Совокупность этих факторов приводит к образованию плужной «подошвы» на глубине 0,2–0,3 м [7–11]. Она препятствует накоплению запасов продуктивной влаги, развитию корневой системы растений, созданию оптимального воздушного, водного и пищевого режимов почвы. С увеличением плотности почвы уменьшается ее впитывающая способность и при орошении интенсифицируются ирригационно-­эрозионные процессы [12–16].

Для регулирования водно-­физических свой­ств почвы применяют мелиоративные способы обработки почвы. Это разновидности «нулевой» обработки (No-­Till, Strip-­Till, Mini-­Till), лемешная вспашка, безотвальное рыхление, в т. ч. чизельное рыхление, комбинированные разноглубинные и многоярусные обработки [17–24].

За счет мелиоративной обработки почвы может формироваться до 25 % урожая. При этом единого мнения по выбору способа обработки почвы нет. Здесь определяющими факторами выступают влагообеспеченность осадками, температурный режим, способы управления продукционным процессом, степень и характер эрозии почвы, набор культур в севообороте, засоренность полей [25–27].

Цель исследования — оценка водно-­физических свой­ств каштановых почв при разных способах мелиоративной обработки почвы при возделывании кукурузы в условиях орошаемого земледелия Нижнего Поволжья.

Материалы и методы исследования

По схеме полевого опыта было проведено три варианта осенней мелиоративной обработки почвы: лемешная отвальная вспашка (вариант А1, контроль) на глубину 0,22…0,24 м орудием ПН-5–35, чизельное безотвальное рыхление на глубину 0,25…027 м (вариант А2) и чизельное отвальное рыхление на глубину 0,36…0,38 м с внедрением отвалов на 0,16…0,18 м в 1-й год проведения обработки и на глубину 0,25…0,27 м с внедрением отвалов на ту же глубину на 2 и 3-й годы проведения обработки (вариант А3) орудием ПЧВ-5–40М.

Почвы опытного участка по гранулометрическому составу тяжелосуглинистые. В пахотном слое 0,22…0,24 м содержание гумуса — 1,65…1,75 %. Обеспеченность доступными формами азота слабая — 35…45 мг/кг, фосфором — средняя, 75…85 мг/ кг, калием — повышенная, 280…300 мг/кг, местами до 450. Реакция почвенного раствора слабощелочная, pH 6,5…7,2. Плотность сложения — 1,35…1,40 т/ м3 в слое 0,22…0,24 м, плотность твердой фазы — 2,54 т/м3, порозность — 43 %, наименьшая влагоемкость — 22…24 %. Водоудерживающая способность метрового слоя — 2800 м3/га. Глубина залегания грунтовых вод — более 10 м.

Опыт закладывали систематическим методом по Б.А. Доспехову (1985), В.Н. Плешакову (1983) в четырехкратной повторности. В исследованиях использовали районированный зерновой гибрид Поволжский 89 МВ. Предполивной порог влажности почвы поддерживали поливами дождеванием машиной «Фрегат» на уровне 80 % НВ в слое 0,7 м от фазы 13 листьев до окончания цветения, а в остальной период — 70 % НВ в слое почвы 0,4 м. Фон удобрений (N180P95K50 кг д. в. на гектар) и агротехника (за исключением обработки почвы) на всех вариантах были идентичны.

Образцы отбирали почвенным буром в четырехкратной повторности по десятисантиметровым слоям с поверхности до глубины один метр. Водно-физические свой­ства каштановых почв изучали по методикам А.Ф. Вадюниной, З.А. Корчагиной (1986).

Обеспеченность вегетационного периода осадками оценивали по гидротермическому коэффициенту Г.Т. Селянинова (1937).

Нижнее Поволжье относится к зоне недостаточной влагообеспеченности. Атмосферные осадки за вегетационный период компенсируют не более 50 % суммарного водопотребления растений в засушливых районах, а в полусухих и сухих — до 30 %. В этой связи орошение выступает лимитирующим фактором в получении стабильно высоких урожаев сельскохозяйственных культур.

Периоды наблюдений по условиям тепло- и влагообеспеченности были близкими к среднемноголетним значениям. По сумме активных температур посевы кукурузы были обеспечены теплом от 3300 до 3407 °C, а вегетационные периоды по наличию атмосферных осадков характеризовались как крайне засушливые и сухие с ГТК 0,35…0,45.

Результаты исследования и обсуждение

Для поддержания заданного режима орошения на варианте А1 было проведено от 7 до 9 вегетационных поливов оросительной нормой от 2250 до 2750 м3/ га, на вариантах с чизельным безотвальным рыхлением почвы А2— 7…8 поливов нормой 2200…2600 м3/га, с чизельным отвальным рыхлением почвы А3 — 6…7 поливов нормой 2100…2500 м3/га (табл. 1).

Таблица 1
Поливные нормы и количество поливов при разных способах мелиоративной обработки почвы (за 3 года исследований)

Обработка почвы	Водный режим почвы	Количество поливов	Поливная норма, м3/га	Оросительная норма, м3/га
А1	80 % НВ, h = 0,7 м 70 % НВ, h = 0,4 м	2 5…7	500 250	2250…2750
А2	80 % НВ, h = 0,7 м 70 % НВ, h = 0,4 м	2 5…6	500…550 250…300	2200…2600
А3	80 % НВ, h = 0,7 м 70 % НВ, h = 0,4 м	2 4…5	500…550 200…350	2100…2500

Table 1
Water application rate and number of irrigations under different methods  of soil treatment (average over 3 years)

Soil treatment	Soil water regime	Number  of irrigations	Water application rate, m3·ha-1	Irrigation rate, m3·ha-1
А1	80 % FC, h = 0.7 m 70 % FC, h = 0.4 m	2 5…7	500 250	2,250…2,750
А2	80 % FC, h = 0.7 m 70 % FC, h = 0.4 m	2 5…6	500…550 250…300	2,200…2,600
А3	80 % FC, h = 0.7 m 70 % FC, h = 0.4 m	2 4…5	500…550 200…350	2,100…2,500

Исследование плотности почвы (рис. 1) показало разную динамику ее изменения по слоям в зависимости от варианта мелиоративной обработки почвы. Наименьшая плотность пахотного слоя почвы отмечена при отвальных обработках. Перед посевом кукурузы в варианте А1 в слое 0,0–0,3 м показатель изменялся от 1,28 до 1,37 т/м3, а перед уборкой — от 1,33 до 1,41 т/м3, в вариантах А2 и А3 соответственно 1,26…1,35 т/м3 перед посевом и 1,31…1,41 т/м3 перед уборкой.

Полученный эффект связан с работой отвалов на почвообрабатывающих орудиях, которые крошат и разрыхляют пахотный горизонт. При этом отвалы на чизельном орудии не оборачивают пласт на всю глубину обработки, как при лемешной вспашке, а только рыхлят верхний слой и заделывают на глубину до 0,18 м стерневые и пожнивные остатки. Снижение плотности почвы ниже плужной «подошвы» в вариантах А2 и А3 определено глубиной ее обработки. В слое 0,2–0,3 м существенные различия по ρb между А1 и А3 — снижение на 0,05 т/м3 (НСР05 = 0,021 т/ м3), перед посевом отмечены лишь в 1-й год наблюдений. В другие периоды значимых различий не установлено, что связано со снижением глубины обработки почвы с 0,36–0,38 до 0,25–0,27 м и постепенным выравниваем ρb. В варианте А2 плотность почвы перед посевом кукурузы существенно выше контрольного на 0,02 т/ м3, а перед уборкой — на 0,04 т/м3 (НСР05 = 0,011…0,016 т/м3).

Рис. 1. Плотность сложения почвы ρb, т/м3, по слоям h, м, перед посевом (a) и уборкой (b) кукурузы по вариантам обработки почвы: A — А₁, B — А₂, C — А₃
Fig. 1. Soil compaction density ρb, t·m-3, by layers h, m, before sowing (a) and before harvesting (b) corn under soil treatments: A — А₁, B — А₂, C — А₃

Анализ экспериментальных данных показывает, что плотность сложения почвы по слоям в условиях орошения можно описать квадратичной функцией вида

ρb = aℎ2 + bℎ + c,

где ρb — плотность почвы, т/м3; h — слой почвы, м; a, b, c — коэффициенты уравнения (табл. 2).

Таблица 2
Значения коэффициентов регрессии

Обработка почвы	Период отбор проб	Коэффициенты
		a	b	c
А1	До посева	0,405	0,487	1,222
	Перед уборкой	0,571	0,331	1,281
А2	До посева	0,500	0,310	1,276
	Перед уборкой	0,405	0,321	1,318
А3	До посева	0,643	0,271	1,231
	Перед уборкой	0,571	0,297	1,272

Table 2
Values of regression coefficients

Soil treatment	Sampling period	Coefficients
		a	b	c
А1	Before sowing	0.405	0.487	1.222
	Before harvasting	0.571	0.331	1.281
А2	Before sowing	0.500	0.310	1.276
	Before harvasting	0.405	0.321	1.318
А3	Before sowing	0.643	0.271	1.231
	Before harvasting	0.571	0.297	1.272

Плотность сложения почвы определяет состояние других водно-­физических свой­ств — наименьшей влагоемкости НВ, максимальной гигроскопичности МГ и влажности завядания растений ВЗ (рис. 2).

Рис. 2. Величины НВ, % (a), МГ, % (b), и ВЗ, % (c), по слоям почвы по вариантам обработки почвы: A — А₁, B — А₂, C — А₃
Fig. 2. Values of FC, % (a), MHM, % (b), and WM, % (c),  by soil layers under soil treatments: A — А₁, B — А₂, C — А₃

Величина МГ, характеризующая способность частиц почвы сорбировать молекулы парообразной влаги, в слое 0,0–0,1 м на контрольном варианте была существенно выше — на 0,2–0,3 % — значения показателя в варианте А2 и настолько же ниже в варианте А3 (НСР05 = 0,13…0,19). Значимых различий в величине МГ между вариантами с отвальными обработками почвы в слое 0,1–0,2 м не выявлено, что обусловлено соизмеримыми значениями показателей качества обработки почвы при работе отвалов: коэффициент глыбистости 70,5 (А1) против 60,5 (А3), коэффициент рыхления 25,5 (А1) против 26,7 (А3), коэффициент крошения 33,8 (А1) против 63,4 (А3). При этом МГ в варианте А2 была существенно ниже — на 0,2 % (НСР05 = 0,08…0,13). Ниже плужной «подошвы» МГ по вариантам обработки почвы существенно не отличалась.

Наблюдениями за влажностью почвы (рис. 3) установлены существенные различия в значениях показателя по вариантам обработки почвы. На контроле влажность почвы в слое 0,0–0,5 м перед посевом и уборкой кукурузы составляла 14,1 и 12,9 %, что ниже на 0,3…0,6 % (НСР05 = 0,08 %), чем в варианте А2. В варианте А3 влажность была выше на 2,3…2,5 % (НСР05 = 0,15 %) относительно  А1 с тенденцией снижения до 0,6…1,2 % (НСР05 = 0,13…0,24 %) на 2-й и 3-й год проведения опытов из-за уменьшения глубины рыхления почвы до 0,25…0,27 м.

Рис. 3. Влажность почвы W, %, по слоям h, м, перед посевом (a) и уборкой (b) кукурузы по вариантам обработки почвы: A — А₁, B — А₂, C — А₃
Fig. 3. Soil moisture W, %, by layers h, m, before sowing (a) and harvesting (b) corn by tillage options: A — А₁, B — А₂, C — А₃

Бóльшая влажность почвы в вариантах с мелиоративным чизельным рыхлением связана с разрушением плужной «подошвы», препятствующей проникновению атмосферных осадков и оросительных вод в более глубокие слои, а в случае с чизельным отвальным рыхлением — снижением эвапотранспирации поверхностью почвы и предотвращением ирригационного стока за счет формирования гребнистого дна борозды.

По экспериментальным значениям плотности и влажности почвы были рассчитаны общая порозность ε (рис. 4) и пористость аэрации εair соответствующих слоев (рис. 5).

Рис. 4. Общая порозность ε, %, почвы по слоям h, м, перед посевом (a)  и уборкой (b) кукурузы по вариантам обработки почвы: A — А₁, B — А₂, C — А₃
Fig. 4. Total porosity ε, %, of soil by layers h, m, before sowing (a)  and before harvesting (b) corn under soil treatments: A — А₁, B — А₂, C — А₃

Рис. 5. Пористость аэрации ε_air, %, почвы по слоям h, м, перед посевом (a) и уборкой (b) кукурузы по вариантам обработки почвы: A — А₁, B — А₂, C — А₃
Fig. 5. Porosity of aeration ε_air, %, of soil by layers h, m, before sowing (a) and before harvesting (b) corn under soil treatments: A — А₁, B — А₂, C — А₃

Порозность по всем вариантам обработки почвы в пахотном слое находится в диапазоне 43…48 %, что по классификации Н.А. Качинского (1965) свидетельствует о неудовлетворительном состоянии почв, протекании ирригационно-­эрозионных процессов, влияющих на ухудшение воздухообмена, развитие анаэробных процессов.

Эффективность дифференцированного режима орошения с учетом полученного урожая зерна кукурузы оценивали по затратам оросительной воды на производство тонны зерна Q и коэффициенту водопотребления K (табл. 3). В вариантах с безотвальными и отвальными чизельными мелиоративными обработками почвы при урожайности зерна 8,48 и 8,75 т/га затраты Q в среднем составили 283 и 263 м3/т. На контрольном варианте с лемешной отвальной вспашкой при урожайности зерна 7,42 т/га (НСР05 = 0,15…0,32 т/га) затраты оросительной воды были выше соответственно на 16,0 и 22,0 %. Коэффициент водопотребления кукурузы на контроле в среднем составил 642,8 м3/т (100 %) против 551,7 м3/т (87 %) в варианте А2 и 524,6 м3/т (83 %) в варианте А3.

Таблица 3
Элементы режима орошения кукурузы при разных способах мелиоративной обработки почвы с оценкой его эффективности (в среднем за 3 года исследований)

Обработка почвы	Оросительная норма, м3/га	Суммарное потребление воды, м3/га	Урожайность		Q, м3/т	K, м3/т
			т/га	% к контролю
А1	2500	4770	7,42	100,0	337	642,8
А2	2400	4670	8,48	114,3	283	551,7
А3	2300	4590	8,75	118,0	263	524,6

Table 3
Elements of corn irrigation regime under different methods of soil treatment  and assessment of the effectiveness (average over 3 years)

Soil treatment	Irrigation rate, m3·ha-1	Total water consumption, m3·ha-1		Yield	Q, m3/t	K, m3/t
			t·ha-1	% to the control
А1	2,500	4,770	7.42	100.0	337	642.8
А2	2,400	4,670	8.48	114.3	283	551.7
А3	2,300	4,590	8.75	118.0	263	524.6

Заключение

Установлено, что дифференцированное по глубине чизельное отвальное рыхление почвы способствует улучшению основных водно-­физических свой­ств и снижению вероятности развития ирригационно-­эрозионных процессов в системе орошаемого земледелия, повышению эффективности использования растениями оросительной воды и атмосферных осадков. Разрыхление почвы ниже плужной «подошвы» при достаточном естественном или искусственном увлажнении интенсифицирует ростовые процессы как надземной, так и подземной части растений кукурузы, обеспечивающие получение качественных урожаев зерна в заданном количестве.

About the authors

Nikolay N. Dubenok

Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy

Email: ndubenok@rgau-msha.ru
ORCID iD: 0000-0002-9059-9023

Doctor of Agricultural Sciences, Professor, Academician of RAS, Head of the Department of Agricultural Land Reclamation, Forestry and Land Management

49 Timiryazevskaya st., Moscow, 127434, Russian Federation

Andrey E. Novikov

Russian Research Institute of Irrigated Agriculture

Author for correspondence.
Email: ae_novikov@vniioz.ru
ORCID iD: 0000-0002-8051-4786

Doctor of Technical Sciences, Director

9, Timiryazev st., Volgograd, 400002, Russian Federation

Anton A. Poddubsky

Peoples’ Friendship University of Russia

Email: poddubskiy-aa@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0001-9796-2924

Candidate of Technical Sciences, Director, Agroengineering Department, Agrarian and Technological Institute

6 Miklukho-M aklaya st., Moscow, 117198, Russian Federation

Georgiy O. Chamurliev

Peoples’ Friendship University of Russia

Email: chamurliev-go@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0002-6410-8438

Candidate of Agricultural Sciences, associate Professor, Agroengineering Department, Agrarian and Technological Institute

6 Miklukho-Maklaya st., Moscow, 117198, Russian Federation

Ksenia B. Shumakova

Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy

Email: kshumakova@rgau-msha.ru
ORCID iD: 0000-0003-3002-5420

Candidate of Agricultural Sciences, associate Professor, Department of Agricultural Land Reclamation, Forestry and Land Management

49 Timiryazevskaya st., Moscow, 127434, Russian Federation

Roman V. Zbukarev

Russian Research Institute of Irrigated Agriculture

Email: zbukarevr@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9237-547X

Laboratory researcher

9, Timiryazev st., Volgograd, 400002, Russian Federation

References

Supplementary files