СПОСОБНОСТЬ ПОЧВЕННЫХ ЧАСТИЦ К САМОСБОРКЕ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМАХ ОБРАБОТКИ ПОЧВ В СЕВЕРНОМ КАЗАХСТАНЕ

Куришбаев А.К.¹, Звягин Г.А.²

¹Доктор сельскохозяйственных наук, профессор, Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина

²ORCID: 0000-0001-8779-5122, Докторант PhD кафедры почвоведения и агрохимии, Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина

СПОСОБНОСТЬ ПОЧВЕННЫХ ЧАСТИЦ К САМОСБОРКЕ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМАХ ОБРАБОТКИ ПОЧВ В СЕВЕРНОМ КАЗАХСТАНЕ

Аннотация

Приведены способности частиц 3-1 и <0,25 мм черноземных почв к самосборке в структурные отдельности по методу Холодова. Выявлена лучшая способность к самосборке частиц агрегатов (3-1 мм) и бесструктурных частиц (<0,25 мм) черноземов южных в сравнении с черноземами обыкновенными. Установлено, что частицы 3-1 мм обладают лучшей способностью образовывать агрегаты, чем частицы <0,25 мм. Выявлены варианты распаханных черноземных почв обладающих наилучшей способностью к самоагрегации частиц. Результаты исследований показали, что в самособравшихся агрегатах из частиц 3-1 мм содержание органического углерода было больше, чем в самособравшихся агрегатах из частиц <0,25 мм.

Ключевые слова: самосборка, бесструктурные частицы, самоагрегация, самособравшиеся агрегаты,  несамособравшиеся частицы.

 

Kurishbayev A.K.¹, Zvyagin G.A.²

¹PhD in Agriculture, professor, S. Seifullin Kazakh AgroTechnical University

²ORCID: 0000-0001-8779-5122, doctoral student of the Department of Soil Science and Agricultural Chemistry, S. Seifullin Kazakh AgroTechnical University

ABILITY OF SOIL PARTICLES TO SELF-ASSEMBLE AT VARIOUS TILLAGE SYSTEMS IN NORTHERN KAZAKHSTAN

Abstract

The paper presents the ability of particles of 3-1 and <0.25 mm from chernozem soil to self-assemble into a structure separates by Kholodov method. Authors have revealed the better ability to self-assemble of aggregates particles (3-1 mm) and structureless particles (<0.25 mm) of southern chernozems in comparison with ordinary chernozems. It is found that the particles of 3-1 mm have a better ability to form aggregates than the particles of <0.25 mm. The tilled chernozems having the best ability to particles self-aggregation were identified. The results showed that in the self-assembled aggregates with particles of 3-1 mm the organic carbon content was greater than that in self-assembled aggregates of particles of <0.25 mm.

Keywords: self-assembly, structureless particles, self-assembly, self-assembled aggregates, non-self-assembled particles.

Структура почвы – это форма и размер структурных отдельностей в виде макроагрегатов >0,25 мм, на которые распадается почва [1, С. 17]. Структура пахотного горизонта определяет важные свойства почв: устойчивость к действию отрицательных факторов окружающей среды, потенциальное и эффективное плодородие [1, С. 18], [2, С. 628], [3, С. 22]. Поэтому, изучение структурообразования представляет большую ценность в регулировании глобальных циклов углерода [4, С. 723], охраны окружающей среды, восстановления плодородия почв, оптимизации гумусового режима на пахотных угодьях [5, С. 123], [6, С. 300], [7, С. 13].

На современном этапе исследования почвенной структуры требуется количественно оценить содержание агрегатов в почве или выделить определенную фракцию какого-либо размера для дальнейшего изучения. Основными методами являются разработанные в прошлом веке методы разделения почвенных агрегатов воздушным методом на ситах или воде [8, С. 20], [9, С. 7], [10, С. 439], [11, С. 876]. В последние время методы разделения почвенных отдельностей усовершенствовались, за счет стандартизации процедуры встряхивания сит по времени и частоте. Были разработаны методические указания и созданы механические устройства для упрощения и единого выполнения данных работ [12, С. 2].

На сегодняшний день воздушный метод разделения почвенных фракций  на ситах является актуальным в почвенных исследованиях. Но существует один недостаток, который затрудняет получение окончательных результатов. С агрономической точки зрения при просеивании, наряду с агрегатами выделяются псевдоагрегаты: отдельности, имеющие по сравнению с агрегатами малую пористость, высокую плотность, не стойкие в воде, либо наоборот абсолютно устойчивые вследствие цементации [13, С. 40]. Кроме этого, средняя продолжительность нахождения почвенного агрегата в природе составляет 27 дней [1, С. 47]. Таким образом, при просеивании в одну фракцию могут попадать свежеобразовавшие, зрелые и уже готовые распасться агрегаты. В связи с этим, многие исследователи считают, что их свойства будут отличаться [12, С. 2], [14, С. 183].

Наши исследования были направлены на изучение способности фракций 3-1 мм и <0,25 мм черноземов южных и обыкновенных к самоагрегации (самосборка) в агрегаты >0,25 мм в слое 0-10 см по методу Холодова. Изучение способности частиц к самосборке проводилась на распаханных и целинных вариантах черноземов южных и обыкновенных. В полученных самособравшихся агрегатах дополнительно изучалось содержание органического углерода [12, С. 3].

Для изучения способности почв к самоагрегации, нами был выбран размер 3-1 мм, так как он является  составной частью агрономически ценной структуры – 10-0,25 мм [13, С. 55]. Многие авторы считают, что фракция 3-1 мм является наиболее благоприятной для возделывания сельскохозяйственных культур. Так, например, Качинский [15, С. 27] указывал, что «...агрегаты в 1 мм образуют уже прекрасную и благоприятную в сельском хозяйстве крупитчатую структуру». Оптимальный размер структурных отдельностей, как считает автор, чаще всего составляет около 2-3 мм [15, С. 28]. Вильямс выделял наиболее оптимальную структуру с размером 2-3 мм, считая агрономически ценными агрегаты от 1 до 10 мм [16, С. 36]. Кроме этого, изучение динамики органического углерода агрегатного состава черноземных почв указывает на большее количество углерода во фракции 3-1 мм [17, С. 557].

Для запуска процессов самоагрегации почвенных частиц был выбран цикл увлажнения-иссушения, так как этот процесс является основным структурообразователем в почвах [1, С. 44], [3, С. 25].

Способность агрегатов из бесструктурных частиц <0,25 мм и полученных путем разрушения фракции 3-1 мм самопроизвольно собираться в агрегаты до размеров >0,25 мм черноземов южных и обыкновенных Северного Казахстана, представлена в таблице 1.

Таблица 1 - Самопроизвольное образование агрегатов в черноземных почвах в слое 0-10 см

№ варианта	Описание варианта	Самособравшиеся агрегаты из частиц, %
		<0,25 мм	3-1 мм
Чернозем южный карбонатный, длительность полевого опыта - 25 лет, Акмолинская область, РГП «НПЦ зернового хозяйства имени А.И. Бараева»
1	Целинный участок	3	72
2	Зернопаровой севооборот, IV КПП, обработка ПГ-3,5 на 25-27 см	23	78
3	То же, обработка КПШ-9 на 12-14 см	21	81
4	То же, нулевая технология	19	85
5	Бессменная яровая пшеница, N30P20, гербициды, ПГ-3,5 на 25-27 см (интенсивный вариант)	11	53
6	Бессменный чистый пар	56	90
Чернозем обыкновенный, длительность полевого опыта - 15 лет, Костанайская область, Карабалыкская опытная станция
1	Целинный участок	0	56
2	Бессменная яровая пшеница, N30Р20, обработка ПГ-3,5 на 25-27 см	2	55
3	Плодосменный севооборот, IV КПП, N30Р20, нулевая технология	2	43
4	Зернопаровой севооборот, I КПП, обработка КПШ-9 на 12-14 см	22	50

Частицы агрегатов и бесструктурные частицы черноземов южных в сравнении с черноземами обыкновенными обладают более лучшей способностью к самосборке, благодаря высокому содержанию неорганического углерода (CaCO₃) в слое 0-10 см черноземов южных, которые помогают в склеивании частиц <0,25 мм в более крупные агрегаты, тем самым выступая в виде коагулянта.

В целинных черноземах южных и обыкновенных отсутствуют процессы механического разрушения агрегатов, и, следовательно, частицы <0,25 мм практически отсутствуют. Они составляют 0-3%.

Напротив, согласно данным таблицы 1, частицы агрегатов, полученные с помощью механического разрушения агрегатов 3-1 мм целинных почв, обладают хорошо выраженной способностью самоагрегатироваться. Так, например, 72% частиц агрегатов черноземов южных и 56% черноземов обыкновенных самособрались в структурные отдельности >0,25 мм.

Таким образом, в состав структурных отдельностей 3-1 мм входят частицы, способные после механического разрушения самопроизвольно после увлажнения-иссушения образовывать агрегаты, а частицы естественного сложения <0,25 мм в этой способности ограничены. Однако в случае обработки почвы, вызывающей механическое разрушение агрегатов, взаимосвязи будут более сложные. В связи с этим нами было исследовано структурное состояние пахотных участков черноземных почв, длительное время используемых в сельском хозяйстве под различными системами обработки почв.

В пахотной почве черноземов южных бесструктурные частицы (<0,25 мм), так же, как и частицы агрегатов (3-1 мм), самопроизвольно образовывали агрегаты после увлажнения-высушивания. Так, 11-23% частиц <0,25 мм вновь самоорганизовывались в структурные отдельности более 0,25 мм, а для частиц 3-1 мм это показатель составил 53-85%. Это указывает на то, что количество самособравшихся агрегатов зависит от источника почвенных частиц. При использовании механически разрушенных почвенных агрегатов 3-1 мм этот показатель выше по сравнению с фракцией <0,25 мм.

Таким образом, почвенные агрегаты 3-1 мм пахотных почв черноземов южных содержат почти в 3 раза, а в черноземах обыкновенных в 5,5 раз больше частиц, способных к самосборке по сравнению с бесструктурными частицами. Следует отметить высокую способность частиц <0,25 мм распаханных почв к самосборке по сравнению с аналогами целинной почвы, которые практически лишены этой особенности.

Следует отметить, что из агрегатов 3-1 мм распаханных черноземов южных на варианте с бессменным паром самопроизвольно собравшихся агрегатов больше (90%), чем на таких же целинных нераспаханных почвах (72%).

Самособирающиеся агрегаты сохраняют органическое вещество и улучшают структуру почвы. В то же время частицы, не способные агрегатироваться после механических обработок теряют углерод и вместе с ним способность образовывать агрегаты.

Важно, что наиболее благоприятные условия к самоагрегации частиц среди распаханных вариантов черноземных почв отмечаются при глубокой плоскорезной обработке в варианте 2, в то время как на бессменных посевах пшеницы при минимизации обработок способность частиц к самосборке снижается, что объясняется ухудшением физико-химических свойств почв, и подавлением микробиологических процессов.

В наших исследованиях проводилось определение содержания углерода в самособравшихся агрегатах и несамособравшихся частицах <0,25 мм (таблица 2).

Таблица 2 - Содержание органического углерода в агрегатах (<0,25 и 3-1 мм) способных к самосборке в слое 0-10 см (по методу Холодова В. А.)

№ варианта	Описание варианта	Сорг % от массы почвы
		Самособравшиеся агрегаты		Несамособравшиеся частицы <0,25 мм
		< 0,25 мм	3-1 мм	< 0,25 мм	3-1 мм
Чернозем южный карбонатный, длительность полевого опыта - 25 лет, Акмолинская область, РГП «НПЦ зернового хозяйства имени А.И. Бараева»
1	Целинный участок	-	3,497	3,72	3,737
2	Зернопаровой севооборот, IV КПП, ПГ-3,5 на 25-27 см	2,549	2,663	2,150	-
3	То же, обработка КПШ-9 на 12-14 см	2,139	2,265	2,503	-
4	То же, нулевая технология	2,057	1,976	2,013	-
5	Бессменная яровая пшеница, N30P20, гербициды, ПГ-3,5 на 25-27 см (интенсивный вариант)	2,752	2,924	2,686	2,844
6	Бессменный чистый пар	2,104	2,468	-	-
Чернозем обыкновенный, длительность полевого опыта - 15 лет, Костанайская область, Карабалыкская опытная станция
1	Целинный участок	-	3,431	3,078	3,496
2	Бессменная яровая пшеница, N30Р20, обработка ПГ-3,5 на 25-27 см	-	3,236	3,046	3,493
3	Плодосменный севооборот, IV КПП, N30Р20, нулевая технология	-	4,390	-	4,309
4	Зернопаровой севооборот, I КПП, КПШ-9 на 12-14 см	2,862	3,131	2,845	3,083

Органический углерод в полученных с помощью сухого просеивания черноземных почв фракции <0,25 мм (2,78%) в самособравшихся агрегатах и несамособравшихся частицах был в целом ниже в сравнении с агрегатами 3-1 мм (3,01%). На варианте с нулевой технологией частицы <0,25 мм в самособравшихся агрегатах содержали на 0,081% больше органического углерода по сравнению с агрегатами 3-1 мм. Но это связано с попаданием при просеивании в размерную фракцию <0,25 мм измельченных мелких растительных остатков, которые практически невозможно отделить от почвы при подготовке образцов к анализу на углерод.

Таким образом, в большинстве самособравшихся агрегатов из частиц <0,25 мм содержание органического углерода было примерно на 8% меньше, чем в агрегатах 3-1 мм.

Больший уровень содержания органического углерода в самособравшихся агрегатах из структурных отдельностей 3-1 мм по сравнению с частицами <0,25 мм, указывает на принципиальное различие их почвенной структуры.

Большее содержание частиц, способных к самосборке во фракциях пахотной почвы указывает на большую устойчивость их к проявлениям эрозионных процессов. Она выражается в накоплении частиц, способных к самоагрегации после разрушения и тем самым минимизирует потери гумуса.

Список литературы / References

1. Шеин Е. В. Курс физики почв / Е. В. Шеин. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 2005. - 432 с.
2. Elliott E. T. Aggregate structure and carbon, nitrogen, and phosphorus in native and cultivated soils / T. Elliott. // Soil Sci. Soc. Am. J. - 1986. - V. 50. - P. 627–633.
3. Ковда В. А. Почвоведение. Почва и почвообразование / В. А. Ковда, Б. Г. Розанова. - М.: Изд-во «Высшая школа», 1988. - 400 с.
4. Rawson A. The Greenhouse Effect, Climate Change and native vegetation / Rawson, B. Murphy // Native vegetation Advisory Council NSW Department of Land and Water Conservation. – 2000. – № 7. – P. 721-727.
5. Кершенс М. Значение содержания гумуса для плодородия почв и круговорота азота / М. Кершенс // Почвоведение. – 1992. – № 10. –  C. 122-131.
6. Garcнa-Oliva F. Effect of soil macroaggregates crushing on C mineralization in a tropical deciduous forest ecosystem / Garcнa-Oliva, M. Oliva, B. Sveshtarova // Plant and Soil. - 2004. - V. 259 (1–2). - P. 297–305.
7. Six J. A history of research on the link between (micro) aggregates, soil biota, and soil organic matter dynamics / Six, H. Bossuyt, S. Degryze, K. Denef // Soil and Tillage Research. - 2004. - V. 79. - P. 7–31.
8. Вадюнина А. Ф. Методы исследования физических свойств почв / А. Ф. Вадюнина, З. А. Корчагина. – М.: Агропромиздат, 1986. – 416 с.
9. Саввинов Н. И. Структура почвы и ее прочность на целине, перелоге и старопахотных участках / Н. И. Саввинов. – М.: Сельколхозгиз, 1931. – 46 с.
10. Ashman M. R. Are the links between soil aggregate size class, soil organic matter and respiration rate artefacts of the fractionation procedure / R. Ashman, P. D. Hallett, P. C. Brookes // Soil Biol. and Bioch. – 2003. – V. 35 (3). – P. 435–444.
11. Mendes I. C. Microbial biomass and activities in soil aggregates affected by winter cover crops / K. Bandick, R. P. Dick, P. J. Bottomley // Soil Sci. Soc. Am. J. – 1999. – V. 63. – P. 873–881.
12. Холодов В. А. Способность почвенных частиц самопроизвольно образовывать макроагрегаты после цикла увлажнения и иссушения / В. А. Холодов // Почвоведение. – 2013. – № 4. – С. 1-9.
13. Розанов Б. Г. Морфология почв / Б. Г. Розанов. – М.: Академический проект, 2004. – 432 с.
14. Plante A. F. A modeling approach to quantifying soil macroaggregate dynamics / F. Plante, Y. Feng, W. B. McGill // Can. J. Soil Sci. – 2002. – V. 82. – P. 181–190.
15. Качинский Н. А. О структуре почвы / Н. А. Качинский // Тр. Советской секции международной ассоциации почвоведов. – М., 1933. - Т. 1. – С. 27-28.
16. Вильямс В. Р. Почвоведение. Земледелие с основами почвоведения: собрание сочинений / В. Р. Вильямс. – М.: Государственное изд-во с.-х. лит-ры, 1951. – 576 с.
17. Когут Б. М. Водопрочность и лабильные гумусовые вещества типичного чернозема при разном землепользовании / Б. М. Когут, С. А. Сысуев, В. А. Холодов // Почвоведение. – 2012. – № 5. – C. 555–561.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Shein E. V. Kurs fiziki pochv [Soil Physics Course] / E. V. Shein. - M.: Izd-vo Mosk. un-ta, 2005. - 432 [in Russian]
2. Elliott E. T. Aggregate structure and carbon, nitrogen, and phosphorus in native and cultivated soils / T. Elliott. // Soil Sci. Soc. Am. J. - 1986. - V. 50. - P. 627–633.
3. Kovda V. A. Pochvovedenie. Pochva i pochvoobrazovanie [Soil Science. Soil and Soil Development] / V. A. Kovda, B. G. Rozanova. - M.: Izd-vo «Vysshaja shkola», 1988. - 400 [in Russian]
4. Rawson A. The Greenhouse Effect, Climate Change and native vegetation / Rawson, B. Murphy // Native vegetation Advisory Council NSW Department of Land and Water Conservation. – 2000. – № 7. – P. 721-727.
5. Kershens M. Znachenie soderzhanija gumusa dlja plodorodija pochv i krugovorota azota [Humus Content Level Significance for Soil Fertility and Nitrogen Turnover ] / M. Kershens // Pochvovedenie [Soil Science]. – 1992. – № 10. –  122-131. [in Russian]
6. Garcнa-Oliva F. Effect of soil macroaggregates crushing on C mineralization in a tropical deciduous forest ecosystem / Garcнa-Oliva, M. Oliva, B. Sveshtarova // Plant and Soil. - 2004. - V. 259 (1–2). - P. 297–305.
7. Six J. A history of research on the link between (micro) aggregates, soil biota, and soil organic matter dynamics / Six, H. Bossuyt, S. Degryze, K. Denef // Soil and Tillage Research. - 2004. - V. 79. - P. 7–31.
8. Vadjunina A. F. Metody issledovanija fizicheskih svojstv pochv [Soil Physical Characteristics Research Methods] / A. F. Vadjunina, Z. A. Korchagina. – M.: Agropromizdat, 1986. – 416 [in Russian]
9. Savvinov N. I. Struktura pochvy i ee prochnost' na celine, pereloge i staropahotnyh uchastkah [Soil Structure and Its Durability in Virgin Lands, Fallows and Previously Cultivated Lands] / N. I. Savvinov. – M.: Sel'kolhozgiz, 1931. – 46 [in Russian]
10. Ashman M. R. Are the links between soil aggregate size class, soil organic matter and respiration rate artefacts of the fractionation procedure / R. Ashman, P. D. Hallett, P. C. Brookes // Soil Biol. and Bioch. – 2003. – V. 35 (3). – P. 435–444.
11. Mendes I. C. Microbial biomass and activities in soil aggregates affected by winter cover crops / K. Bandick, R. P. Dick, P. J. Bottomley // Soil Sci. Soc. Am. J. – 1999. – V. 63. – P. 873–881.
12. Holodov V. A. Sposobnost' pochvennyh chastic samoproizvol'no obrazovyvat' makroagregaty posle cikla uvlazhnenija i issushenija [Soil Particles Ability for Spontaneous Forming of Macro-Aggregates After Cycle of Damping and Drying] / V. A. Holodov // Pochvovedenie [Soil Science]. – 2013. – № 4. – 1-9. [in Russian]
13. Rozanov B. G. Morfologija pochv [Morphology of Soils] / B. G. Rozanov. – M.: Akademicheskij proekt, 2004. – 432 [in Russian]
14. Plante A. F. A modeling approach to quantifying soil macroaggregate dynamics / F. Plante, Y. Feng, W. B. McGill // Can. J. Soil Sci. – 2002. – V. 82. – P. 181–190.
15. Kachinskij N. A. O strukture pochvy [On Soil Structure] / N. A. Kachinskij // Tr. Sovetskoj sekcii mezhdunarodnoj associacii pochvovedov [Works of Soviet Section of International Soil Scientists Association]. – M., 1933. - 1. – P. 27-28. [in Russian]
16. Vil'jams V. R. Pochvovedenie. Zemledelie s osnovami pochvovedenija: sobranie sochinenij [Soil Science. Agriculture with Basics of Soil Science: Collected Edition] / V. R. Vil'jams. – M.: Gosudarstvennoe izd-vo s.-h. lit-ry, 1951. – 576 [in Russian]
17. Kogut B. M. Vodoprochnost' i labil'nye gumusovye veshhestva tipichnogo chernozema pri raznom zemlepol'zovanii [Water Stability and Labile Humic Substances of Typical Black Soil Under Different Land Utilization] / B. M. Kogut, S. A. Sysuev, V. A. Holodov // Pochvovedenie [Soil Science]. – 2012. – № 5. – 555–561. [in Russian]