где ТКУ – трансформированный коэффициент устойчивости; У(Еi) – фактическая и (или) урожайность, определенная по уравнениям регрессии, при некотором значении ГТК. Разница УТР в числителе формулы 8 отражает величину отклика на возмущающий фактор – почвенную засуху, задаваемый величиной разницы У(Еi)–ТУ(Ki). Наибольшим крайним значением ГТК может быть единица (в нашем случае 0,5).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2. Оценка засушливых условий и устойчивости

продукционного процесса

Наибольшая вероятность негативного проявления почвенной засухи наблюдается в весеннее время, т.е. в начальные периоды развития яровых культур. В этот период в регионе осадков в среднем выпадает около 43 мм. Однако изменения в погодной обстановке, произошедшие за последние 20 лет, свидетельствуют о необходимости пересмотра среднемноголетнего значения в сторону его уменьшения: в 7 случаях из 21 количество осадков составило меньше 20 мм (33,0%), среднее значение __ 34 мм, в то время как за длительный период 1942-1981 гг. это было в 3 случаях из 40 (7,5%). За 1942-1981 гг. количество лет с осадками меньше 43 мм (среднестатистическое значение) составило 21, за 1982-2002 гг. – 16. На усиление засушливости климата в последнее время указывает экспоненциальное выравнивание майских осадков: за 60-ти летний период уравнение тренда имеет вид: Y = 52,0-0,3X.

Микробиологическая диагностика. Микробиологическая активность в неблагоприятных условиях воздействий является показателем устойчивости почвы. Для изучения влияния дефицита воды на микробиологическую активность был заложен опыт 6 (использованы почвенные образцы опыта 5). Наиболее контрастные различия в численности микроорганизмов между вариантами окультуренности почвы отмечены по аммонифицирующим и нитрифицирующим бактериям: в оптимальные условия увлажнения разница между вариантами составила соответственно 7,2 (НСР05 = 4,1) и 11,4?106 КОЕ/г (НСР05 = 1,9); несколько меньше по бактериям, ассимилирующим азот минеральных солей, и целлюлозоразлагающим бактериям. В присутствии почвенной засухи различия в численности микроорганизмов увеличилась (табл. 6).

Микробиологическую устойчивость оценивали по формуле 1. При недо-статке воды в окультуренной почве значение КМС для аммонификаторов, бактерий, ассимилирующих азот минеральных солей, и целлюлозоразлагающих бактерий составило соответственно 1,7, 3,8 и 11,6 условных единиц, в то время как в неокультуренной почве значение коэффициента было 1 (аммонификаторы) и меньше 1 (остальные группы). Это указывает на функцию плодородия почвы в поддержании устойчивости жизнедеятельности почвенных микроорганизмов.

Таблица 6 – Влияние засухи и плодородия на численность микроорганизмов (106 КОЕ/г)

Грибы Бактерии акти-

аммо-нифи-циру-ющие ассимилирующие азот минеральных

солей нитри-фици-рующие целлюлозо-разлага-ющие

Оптимальные условия увлажнения (контроль)

Неокультуренная 0,2 9,5 3,7 5,2 3,9 2,6

Окультуренная 0,8 16,7 1,2 16,6 4,3 50,1

Засушливые условия

Неокультуренная 0,2/+ 4,7/1,0 0,4/0,1 1,6/0,5 1,6/0,7 7,8/+

Окультуренная 1,7/+ 10,6/1,7 0,9/3,8 16,8/+ 3,9/11,6 39,7/3,8

НСР05 0,3 4,1 0,4 1,9 0,5 6,6

Примечание: в числителе численность микроорганизмов, в знаменателе – значение КМС; знак + означает невосприимчивость к стрессу.

Предложенные формулы расчетов (4-8) позволяют оценить устойчивость продукционного процесса сельскохозяйственных культур в засуху. Рассмотрим некоторые примеры. Основываясь на урожайных данных яровых зерновых культур (рис. 1), с помощью выведенных уравнений мы рассчитали теоретически возможные урожайности при разных гидротермических условиях.

Исходя из уравнения регрессии (Y = 0,85+2,1X) в нормальные по увлажнению годы при внесении под яровую пшеницу 60 кг/га азота на серой лесной почве со средним содержанием фосфора урожайность составляет 4,0 т/га; в острозасушливые – 1,9 т/га; в засушливые годы – около 2,5 т/га. В опыте 2 с азотными удобрениями установлено, что при внесении под яровые зерновые культуры одних только калийных и фосфорных удобрений в засушливые годы наиболее ожидаемая урожайность зерна 2,2 т/га (Y = 12,1+20,5X); при внесении их вместе с азотным удобрением – 3,0 т/га (Y = 12,5+35,9X).

Рисунок 1 – Динамика урожайности яровых зерновых культур и ГТК

За счет оптимизации питания возможно достижение целесообразного уровня продукционного процесса у яровых зерновых культур и картофеля. Наивысшие значения Кээу (1) при возделывании в засушливых условиях яровой пшеницы, ячменя – 2,2 (при ГТК 0,5) и 2,7 (ГТК 0,7) и картофеля (Уэц не менее 1,50 т/га) – 1,03 (ГТК 0,5) и 2,00 (ГТК 0,7) получены при совместном внесении на фонах NP и NK 40% калийной соли и суперфосфата двойного соответственно.

По уравнениям регрессии, полученным в опыте с разными формами азотных удобрений, рассчитаны значения теоретической (ТУ) и трансформированной урожайности зерновых культур (УТР) и трансформированный коэффициент устойчивости (ТКУ) в диапазоне ГТК от 0,05 до 0,5. При внесении оптимальных доз удобрений (РК+N) более высокая ТУ зерна достигалась при более низких значениях трансформированной ГТК (табл. 7).

Таблица 7 – Расчет ТУ, УТР и ТКУ в опыте 2

В засушливом диапазоне значений ГТК значение урожайности зерна в меньшей степени варьирует от применения азотного удобрения совместно с фосфорными и калийными, поэтому продукционный процесс становится устойчивее в сравнении с фоном, что видно по расчетным величинам коэффициента устойчивости: в среднем в варианте РК фон ТКУ составил 0,9 ед.; в варианте РК+N – 5,1 ед.

3. Устойчивость почвы к подкислению

В основу изучения данного вопроса положены полевые опыты 1, 2, 3, 5 и серия модельных опытов. Мерами устойчивости почвы к подкислению и загрязнению являются значения соответствующих классических показателей буферности, в частности емкость буферности. Длительное (40 лет) применение хлористого аммония существенно повысило кислотность серой лесной почвы (рНсол 4,4) . Это привело к снижению в пахотном слое общей буферности до минимальных по сравнению с другими вариантами опытов значений – 4,2 мМ-экв/100 г, что на 3,4 мМ-экв/100 г меньше контроля (рис. 2).

В отличие от варианта PK+Nx (опыт 2) в варианте NK+Pcд (опыт 3) доза физиологически кислого азотного удобрения под картофель была меньше на 20 кг/га, поэтому рН составила 5,0, а емкость буферности соответствовала контролю – 7,4 мМ-экв/100 г. Из всех буферных зон, ответственных за нейтрализацию ионов водорода, наибольший практический интерес представляют карбонатная и катионно-обменная, так как можно улучшить механизмы их реализации технологически – путем пополнения ППК кальцием и повышения в почве органического вещества. Так, одна только замена хлористого аммония на кальциевую селитру повысило емкость буферности в два раза (с 4,2 до 8,9 мМ-экв/100 г.). Тогда как в почве под лугом емкость буферности составила 8,7 мМ-экв/100 г. Совместное применение минеральных и органических удобрений (органоминеральная система удобрения), при котором содержание гумуса повышается до 3%, а кислотность становится близкой к нейтральной, повышает устойчивость почвы к подкислению: емкость буферности возросла до 10,8 мМ-экв/100 г. Однако и это не предел. Стратегия земледелия, ориентированная на активизацию гумусообразования, означает наращивание потенциала устойчивости – максимальная величина емкости буферности составила 18,5 мМ-экв/100 г.

Рисунок 2 – Влияние удобрений на общую за интервалы рН емкость

буферности к подкислению (мМ-экв/100 г) серой лесной почвы

Среди почвенных компонентов (носителей буферных реакций) мы выделяем высокодисперсные гранулометрические фракции, коллоидные растворы органической природы, гумусовые соединения.

Установлена зависимость ЕБк от содержания поглощенных оснований и различных видов кислотности (рис. 3). Например, исходя из уравнений регрессий рассчитано, что при содержании суммы поглощенных оснований около 27 мг-экв/100 г, рНводн. – 7,0 и Нг – 2,0 ед. ЕБк составит в пределах 105-110 мМ-экв/кг почвы.

Рисунок 3 – Зависимость емкости буферности от содержания поглощенных оснований (сумма кальция и магния) и актуальной кислотности

4. Устойчивость почвы к загрязнению ТМ

При рассмотрении вопросов устойчивости серой лесной почвы к загрязнению цинком, медью, кадмием и свинцом были предусмотрены два контроля: в качестве первого служил вариант без удобрений многолетнего опыта 2, второй – отражал крайне неплодородный вариант опыта с органической системой удобрения (опыт 5, табл. 4, 5). По величинам максимальной адсорбции (Qmax) можно заключить, что при длительном применении минеральных удобрений снижается адсорбционная способность почвы к меди, кадмию и свинцу, так как в сравнении с контролем 1 Qmax (по Ленгмюру) уменьшилась на 69 и 27 мМ/кг соответственно (табл. 8).

Таблица 8 – Влияние удобрений на адсорбцию и энергию связывания почвой цинка, меди, кадмия и свинца

Вариант Qmax, мМ/кг ?G, кДж/моль

Zn Cu Cd Pb Zn Cu Cd Pb

К-1 121