1. Введение

Структура почвы является одним из ключевых факторов, определяющих её физическое состояние и функционирование почвенных экосистем. Пространственная организация минеральных частиц и органического вещества в агрегаты различного размера формирует систему пор, регулирующую водный режим, аэрацию, развитие корневых систем растений и устойчивость почвы к эрозии. Кроме того, структура почвы играет важную роль в стабилизации органического углерода и поддержании биологической активности почвы [1], [2], [3].

Современные исследования рассматривают структуру почвы как иерархическую систему агрегатов и порового пространства, формирующуюся в результате взаимодействия физических, химических и биологических процессов [3]. Устойчивость агрегатов во многом определяется содержанием органического вещества, активностью почвенной биоты и интенсивностью механического воздействия на почву [4].

Интенсивная обработка почвы приводит к разрушению макроагрегатов и снижению их устойчивости. Механическая обработка ускоряет минерализацию органического вещества и способствует распаду агрегатов [5], [6]. Напротив, системы земледелия с пониженной интенсивностью обработки и использованием многолетней растительности способствуют восстановлению агрегатной структуры и увеличению доли макроагрегатов [7], [8].

Значительный вклад в развитие представлений о структуре почв внесли исследования Е.В. Шеина с соавторами, в которых структура рассматривается как иерархическая система, формирующаяся под воздействием физических и биологических факторов [9], [10], [11].

Многие работы рассматривают специфику структуры почвы в различных условиях использования и под действием разных культур [12], [13], [14], [15].

Несмотря на значительное количество исследований, посвящённых структуре почв, остаётся недостаточно изученной динамика восстановления и деградации агрегатного состояния чернозёмов при переходе между различными типами землепользования в пределах единых почвенно-климатических условий, особенно в первые годы после распашки залежных и травяных участков.

Целью исследования является выявление закономерностей изменения агрегатного состава и водопрочности агрегатов чернозема выщелоченного в первые годы после изменения типа землепользования и оценка устойчивости структурного состояния в различных агроэкосистемах.

2. Объекты и методы

Объектом исследования являлся чернозём выщелоченный угодий опытного хозяйства Тульского НИИСХ Плавского района Тульской области. Для отбора образцов были выбраны 4 участка с разным характером использования:

– пашня — участок с возделыванием яровых зерновых в течение последних 3 лет;

– залежь — участок, находившийся в залежном состоянии не менее 40 лет и введенный в оборот в 2022 году, после чего на нем возделывали яровые зерновые;

– многолетние травы — участок с посевом многолетних трав в 2022 и 2023 годах, которые в 2024 году были замещены озимой пшеницей и целина — участок с разнотравной растительностью, который не подвергался распашке.

При выборе участков учитывались результаты проведённого ранее исследования пространственно-временных связей между характером землепользования и почвенным покровом пахотных угодий на примере Арсеньевского и Плавского районов Тульской области в период с 1969 по 2020 гг. [16].

Почва на всех участках представлена чернозёмом выщелоченным среднемощным среднегумусным тяжелосуглинистым на лессовидном суглинке (КиДП1977) [17] или агрочернозём глинисто-иллювиальный типичный среднемощный сильногумусированный тяжелосуглинистый на лессовидном тяжелом суглинке (КиДП2004) [18] (Luvic Chernic Phaeozems [19]). На каждом участке были заложены разрезы и отобраны образцы из верхнего пахотного горизонта и подпахотного горизонта на глубину 0–20 и 20–40 см соответственно. Отбор образцов почв на этих площадках проводили в 2022, 2023 и 2024 гг. в мае. Отбор выполняли по равностороннему треугольнику, углы которого располагалась в точке заложения разреза и в 2 точках основания треугольника на расстоянии 2 м. Для точной фиксации координат разреза использовался точный геодезический прибор GNSS STONEX Surf III.

Для проведения оценки структуры почвы использовался ситовой метод Н.И. Саввинова (сухое и мокрое просеивание). Образцы почвы ежегодно отбирались из одних и тех же точек. По каждому варианту отобрано по 3 образца массой по 2–2,5 кг.

3. Результаты и их обсуждение

Анализ динамики сухих агрегатов в пахотном горизонте показал, что наиболее стабильное структурное состояние характерно для целинных участков, где сохраняется высокое содержание ценных агрегатов. На пашне наблюдалась наибольшая вариабельность показателей, что связано, очевидно, с антропогенным воздействием. Пребывание под многолетними травами способствовало заметному восстановлению структуры, несмотря на колебания показателей.

Из приведенных данных (табл. 1) можно наблюдать, что в почве под постоянной пашней коэффициент структурности с 2022 по 2024 г. имел наиболее низкие значения 2,3, 1,5 и 2,2 соответственно. На участке после многолетних трав в первые два года после распашки отмечен высокий коэффициент структурности — 4,2 и 11,5, а на третий год возделывания зерновых культур, коэффициент структурности почвы также снизился до 2,2, что наглядно показало влияние механической обработки на структурное состояние. В целом, можно отметить заметное влияние многолетних трав на поддержание хорошего структурного состояния почв в севообороте.

Стабильно высокий коэффициент структурности наблюдался на целинном участке, где он находился в диапазоне 4,5–5,4 за 3 года наблюдений, что также подтверждает отличное структурное состояние чернозёма выщелоченного без механической обработки.

На участке залежи, введенном в севооборот в 2022 году, в первый год отмечено хорошее структурное состояние почвы и более высокий коэффициент структурности, чем на пашне, хотя и ниже, чем на целинном участке. На второй год использования структурное состояние стабилизировалось коэффициент структурности составил 6,8, выше, чем у целинного участка. На 3-й год использования структурное состояние приблизилось к показателям пашни и коэффициент структурности снизился до 2,2.

Таким образом, можно сделать заключение, что при отсутствие обработки выщелоченного чернозём в верхней части гумусового горизонта складывается отличное структурное состояние и содержание агрономически ценных агрегатов составляет порядка 82-85%, а после распашки при введении его в сельскохозяйственное использование на 3-й год происходит снижение содержания агрономически ценных агрегатов практически на 10% до уровня пашни. Однако использование многолетних трав в севообороте поднимает уровень структурного состояния до целинного и таким образом позволяет поддерживать высокий уровень агрокультуры и благоприятное структурное состояние.

Оценка структурного состояния по водопрочным агрегатном в верхней части гумусововго горизонта (табл. 2) оказалась более чувствительной к характеру землепользования. Более четко прослеживался качественно высокий уровень структуры почвы на целинном участке для верхней части гумусового горизонта. В течение трех лет исследований содержание водопрочных агрономически ценных агрегатов находилось в диапазоне 87–94%. В условиях постоянной пашни содержание водопрочных агрегатов размером 0,25–10 мм составляло менее 70%. На участке распаханной залежи уже в 1 год после распашки содержание водопрочных агрегатов было ниже, чем на целинном участке, что вероятно связано с прямым разрушением структуры, в целом, под воздействием механической обработки почвы и минерализации органического вещества. На участке после распашки многолетних трав также наблюдалось отличное содержание водопрочных агрегатов, в том числе и на 3 год.

Различия между почвами при разном характере землепользования наиболее выражены во фракционном составе водопрочных агрегатов. Так, на целинном участке наблюдалось высокое процентное содержание водопрочных агрегатов фракции 5–3 мм — на уровне 25–30%, и в целом, соотношение фракций смещено в сторону более крупных водопрочных агрегатов. Для почвы пашни, напротив, несмотря на хорошую оценку содержания водопрочных агрегатов, фракция 5–3 мм имела небольшое содержание и баланс фракционного состава был явно смещен в сторону более мелких водопрочных агрегатов. Возделывание многолетних трав позволило несколько улучшить водопрочность более крупных агрегатов и соотношение фракций агрегатов несколько смещалось в сторону средних размеров, увеличивалась доля агрегатов размером 1,0–0,5 и 0,5–0,25 мм. Почва участка распаханной залежи характеризовалась заметно более благоприятной водопрочной структурой по сравнению с почвой постоянной пашни и распаханных многолетних трав. За 3-х летний период сохранилось высокое содержание водопрочных агрегатов фракций 5–3 и 3–2 мм, несмотря на некоторое снижение фракции 5–3 мм в сравнении с целинным участком. Отмечается, что чернозём выщелоченный после введения в оборот из залежного состояния как минимум в течение 3-х лет сохраняет отличное состояние водопрочной структуры и соответственно большую устойчивость к механическому воздействию орудиями основной обработки почвы.

Использование почв в сельскохозяйственном обороте, особенно в пашне при постоянной обработке почвы должно оказывать влияние не только на пахотный горизонт, но и на нижележащий слой. Это воздействие наиболее часто выражается, например, в формировании так называемой «плужной подошвы». Рассмотрим структурное состояние чернозёма выщелоченного на исследуемых участках в подпахотном горизонте, который, как правило, при достаточной мощности составляет нижнюю часть гумусового горизонта (табл. 3.).

Наиболее стабильное структурное состояние нижней части гумусового горизонта характерно для целинных участков. На пашне отмечается умеренная вариабельность показателей. Почвы под многолетними травами демонстрируют высокую способность к поддержанию хорошей структурной организации, несмотря на сезонные колебания. В почве после распашки залежи в исследуемый период наблюдалось выраженное снижение содержания ценных агрегатов.

В целом во всех вариантах в нижней части гумусового горизонта отмечается хорошее структурное состояние нижней части гумусового горизонта. Заметны различия в структурном состоянии нижней части гумусового горизонта почв постоянной пашни и целинного участка, на целинном участке отмечено на 10–15% более высокое содержание агрономически ценных агрегатов. Коэффициент структурности почвы целинного участка был почти в 2 раза выше, чем почвы пашни. Ухудшение структурного состояния подпахотного горизонта может привести к снижению урожайности некоторых культур и поэтому требует применения агротехнических мероприятий по улучшению структуры нижней части гумусового горизонта, например, проведения глубокого рыхления. Можно отметить, что многолетние травы в севообороте способствуют рыхлению подпахотного горизонта за счет распространения корневой системы, но в условиях данного наблюдения на 3 год после распашки многолетних трав отмечалось ухудшение структурного состояния до уровня, сравнимого с участком пашни. Примерно такая же ситуация была характерна и для почвы распаханной залежи.

В таблице 4 представлены результаты мокрого агрегатного анализа нижней части гумусового горизонта (20–40 см) чернозёма выщелоченного при различных вариантах землепользования за период 2022–2024 гг.

Анализ водопрочности агрегатов в нижней части гумусового горизонта (табл. 4) показал, что наиболее стабильное состояние водопрочной структуры характерно для целинных участков. На пашне сохраняется относительно высокий уровень водопрочности при умеренных колебаниях показателей. Почвы под многолетними травами демонстрируют значительную вариабельность структурных характеристик, а распаханная залежь характеризуется наиболее контрастной динамикой с тенденцией к улучшению к 2024 году.

Оценка структурного состояния по водопрочным агрегатам в нижележащей части гумусового горизонта имеет очевидную разницу в условиях пашни и целинного участков. Так в подпахотном горизонте на участке пашни содержание водопрочных агрономически ценных агрегатов составила 64–68%, что сопоставимо с пахотным горизонтом и общее агрегатное состояние по водопрочной структуре оценивается как хорошее. Целинный участок имеет также высокий показатель содержания водопрочных агрегатов крупнее 0,25 мм 80–88%, что также сопоставимо с верхней частью гумусового горизонта чернозема выщелоченного на целинном участке. На участке с многолетними травами высокий показатель водопрочной структуры также наблюдается в период пребывания на участке трав и падает на 3 год после распашки трав практические на 10–20%.

Полученные результаты согласуются с концепцией агрегатообразования, согласно которой устойчивость структуры определяется взаимодействием органического вещества и биологических факторов [6].

Выявленный эффект временного восстановления структуры после распашки подтверждает данные о роли растительного покрова в формировании макроагрегатов [5]. Однако ограниченность этого эффекта (2–3 года) указывает на необходимость системного подхода к управлению почвенным плодородием.

Более высокая чувствительность водопрочной структуры свидетельствует о её диагностической ценности при оценке состояния почв.

4. Заключение

Проведенное исследование агрегатного состояния чернозёма, выщелоченного в течение трех лет при различном характере землепользования показало, что отличное и наиболее стабильное состояние структуры было характерно для почвы целинного участка. В почве, постоянно находившейся под пашней содержание агрономически ценных агрегатов было примерно на 15–20% ниже, чем в целинной почве. Почвы после распашки залежи и после распашки многолетних трав демонстрировали похожие тенденции к изменению структурных характеристик — в первые два года после распашки содержание агрономически ценных агрегатов в них было близко к показателям целинной почвы, а на третий год резко снижалось, приближаясь к показателям постоянной пашни.

Содержание водопрочных агрономически ценных агрегатов в течение исследованного трехлетнего периода было довольно устойчивым: в целинной почве очень высоким (87–93%), в почвах распаханной залежи и многолетних трав ниже примерно на 10%, а в почве под постоянной пашней ниже примерно на 20%.

Оценка структурного состояния в нижней части гумусового горизонта показала, что в почве под постоянной пашней содержание агрономически ценных агрегатов было довольно стабильным, а в почвах остальных вариантов землепользования заметно варьировало и, в целом, было выше, чем пахотной почве на 10–15%.

The additional file for this article can be found as follows: