Агрохимические и агрофизические исследования в полевых опытах с удобрениями
Почвенные исследования в полевых опытах производятся как при закладке опыта, так и во время его проведения.
Описание почвенного разреза и анализы почвы по горизонтам позволяют отнести почвы опыта к определенному типу и виду почв. Классификация и названия почв меняются со временем. Например, черноземы ранее делили на деградированные, мощные, обыкновенные и предкавказские, позднее — на оподзоленные, выщелоченные, типичные, обыкновенные, южные и т. д. Подзолистые почвы сравнительно недавно разделили на подзолистые и дерново-подзолистые, причем именно те почвы, которые в агрономических книгах прежде назывались подзолистыми, получили название дерново-подзолистых.
Все это приводит к тому, что одно название почвы без описания разреза и почвенных анализов не позволяет установить, на какой именно почве, по современной классификации, был поставлен опыт. Аналогичные перемены происходят и в названии почв по их механическому составу. Поэтому в отчетах об опытах, особенно в отчетах о многолетних опытах, следует приводить данные по анализу почв и по морфологическому описанию почвенных разрезов.
Почвенные разрезы нельзя закладывать на территории опытных делянок, поэтому для больших опытов желательно иметь несколько почвенных разрезов, расположенных вокруг опыта. Дополнительно закладывают малые разрезы («прикопки»), которые захватывают обычно два верхних горизонта почвы; эти прикопки можно делать и на территории опыта, на защитных полосах и дорогах. Данные «прикопок» позволяют установить, насколько удачно был сделан разрез для характеристики почвы опыта.
Точное установление почвенной разновидности требует проведения не только морфологического обследования почв, но и аналитического изучения состава почвы и ее свойств. Для анализа почвы берут как индивидуальные образцы, взятые из различных горизонтов почвенного профиля, так и средние пробы пахотного слоя опытного участка.
В некоторых случаях задачи опытов требуют проведения определенных анализов почвы, без которых результаты опытов неполноценны. Большой ряд приемов земледелия направлен на изменения каких-либо свойств почвы. При изучении этих приемов необходимо знать, обладает ли почва, на которой ставится опыт, свойством, подлежащим исправлению. Типичным примером такого рода опытов являются опыты с известкованием, которые проводятся для устранения кислотности почвы. Постановка таких опытов требует анализа почвы на формы кислотности, сумму поглощенных оснований и pH, без чего нельзя ни сделать вывода о пригодности участка для постановки опыта, ни дать правильного анализа результатов опыта.
Опыты с минеральными удобрениями требуют проведения определенных анализов почвы, например при постановке опытов с фосфатами необходимо определение в почве количества легкорастворимых форм P2O5 по одному из принятых методов (Кирсанов, Чириков, Мачигин и др.). То же относится и к опытам по мелиорации засоленных почв; в этом случае необходим учет состава и количества солей в почве, а также степени солонцеватости — содержания в почвах поглощенного натрия.
Такие агрохимические свойства, как кислотность почвы и содержание в ней усвояемых фосфатов, могут сильно варьировать на территории опыта. В этом случае без данных поделяночного анализа трудно судить о пригодности участка для постановки опыта и о достоверности выводов. Средние данные об агрохимических свойствах почвы опытного участка желательно приводить с указанием интервала колебаний, вариационного коэффициента или стандартного отклонения для показаний поделяночных анализов почвы.
Вопрос о том, какие именно анализы почвы необходимо производить при постановке и проведении полевых опытов, служил предметом обсуждений секции удобрений и агрохимии ВАСХНИЛ и методических совещаний при Почвенном институте им. В.В. Докучаева. В «Методических указаниях...» приведены основные виды анализов, которые следует проводить для установления агрономической характеристики почв и наименования почвы по установленной классификации, но не в целях изучения генезиса почв и специальных проблем почвоведения и агрохимии.
Списки анализов следует изменять применительно к условиям проведения и задачам отдельных опытов. При наличии оборудования для определений радиоактивного фосфора следует определить общий запас в почве растворимых фосфатов. Желательно также проведение вегетационных опытов для определения величины влажности завядания и запаса усвояемых питательных веществ. Для многолетних опытов с удобрениями важно обеспечить регулярное взятие по ротациям образцов почвы, которые в дальнейшем могли бы быть использованы для анализов теми методами, которые будут считаться наиболее точными в момент производства анализов.
Если хранение образцов почвы не обеспечено, то следующие новые образцы надо анализировать не только новыми, но и старыми методами, чтобы обеспечить сравнимость результатов прежних анализов, проведенных при закладке опыта, с данными анализа новых образцов почвы с тех же делянок.
Внесение удобрений приводит к изменению свойств почвы. Общеизвестно влияние физиологически кислых удобрений на подкисление почвы, навоза на уменьшение кислотности почвы, фосфатов на увеличение содержания в них усвояемого фосфора («зафосфачивания почв») и т. д. Если удобрения применялись систематически в течение ряда лет или в больших дозах, то заметить их влияние на свойства почвы сравнительно легко, так как различия между свойствами почв опытных и контрольных делянок стали существенными. Конечно, легко заметить действие извести на кислую почву или внесения навоза в многолетнем опыте. Ho если необходимо дать не только качественную, но и количественную характеристику действия удобрений на свойства почвы, то требуется уже проведение многочисленных анализов почвы опытных делянок. Конечно, наиболее правильная постановка исследований требует анализа почв всех делянок опыта до его постановки. Ho, к сожалению, вопрос о влиянии удобрений на те или иные свойства почвы обычно привлекает внимание исследователей по истечении многих лет после начала опыта. Поэтому сравнение приходится вести не с исходными данными для почв различных вариантов опыта, а с данными для почв делянок контрольных вариантов. Это, конечно, снижает точность работы, так как почва контрольных вариантов тоже меняется за время опыта. Поэтому при постановке многолетних опытов с удобрениями необходимо особое внимание обратить на агрохимический анализ всех делянок до закладки опыта.
Точность полевых опытов в среднем считается, около 10%, т. е. при урожаях в 20 ц достоверными считаются прибавки более 2 ц. Результаты многочисленных обработок данных полевых опытов, поставленных при 4-, 6-кратной повторности на Долгопрудной агрохимической станции, показали, что заслуживают внимания величины разниц между вариантами порядка 10,5— 18,9% для однолетних и 8,2—10,5% для многолетних опытов. Вариационные коэффициенты агрохимических показателей в опытах этой станции были равны: для гумуса по Тюрину — 13%, для обменного Ga по Гедройцу — 13%, для P2O5 по Кирсанову — 21%, для гидролитической кислотности по Кап-пену — 10%, для обменной кислотности по Каппену — 24% и для активного Al по Соколову — 29%. Это варьирование агрохимических показателей наблюдается для почв параллельных делянок многолетних опытов. Следовательно, в опыте с 4-кратной повторностью при содержании в почве гумуса около 2% различия между почвами вариантов опыта порядка 0,3% недостоверны; для P2O5 по Кирсанову при 5 мг на 100 г почвы заслуживают внимания разницы для вариантов более 2,5 мг P2O5.
Основным правилом изучения влияния удобрений на свойства почвы является анализ образцов почв для делянок всех без исключения повторений опыта и обязательная обработка данных анализов, полученных для параллельных делянок методами вариационной статистики.
Во многих случаях в опытах делаются попытки установить (при помощи анализов почвы делянок различных вариантов опыта) величины, которые не могут быть достоверно определены, так как они заведомо находятся за пределами точности полевого опыта. Например, пытаются на основе анализа почвы заметить влияние однолетнего или двухлетнего посева трав на накопление в почве азота или гумуса. Простые расчеты показывают, что даже при высоком урожае трав (порядка 100 ц/га сена) и накоплении большого количества корней (50—75 ц/га) количества гумуса и азота могли измениться на величины порядка не более 5% для гумуса и 2% для азота от их среднего содержания в пахотном слое почвы, т. е. на величины, лежащие в пределах возможной ошибки исследований.
При составлении программы анализов в полевых опытах следует прежде всего произвести теоретические подсчеты, в какой мере изучаемый прием может отразиться на изменении различных свойств почвы. Например, в опыте на бедной дерново-подзолистой почве вносится ежегодно по 45 кг азота на 1 га в форме минерального удобрения. Примерно 2/3 азота удобрения используется урожаем растений и уносится с ним с поля, следовательно, ежегодно в почве может оставаться 15 кг азота. В течение 10 лет это составит всего только 150 кг азота на 1 га. Предположим, что в почве опыта содержится общего азота всего 0,1%. Если объемный вес пахотного слоя был равен 1,34, а глубина пахотного слоя 18 см, то вес пахотного слоя был равен 2 412 000 кг, следовательно, в пахотном слое содержалось 2412 кг азота.
Математическая обработка данных анализов многолетних полевых опытов Долгопрудной агрохимической станции показывает, что доказуемые разности в содержании азота в почве различных вариантов должны быть не менее 13% от его количества в почве. В нашем примере возможное изменение общего азота равно 6,2% (150 кг по отношению к 2412 кг), т. е. определение общего азота даже через 10 лет опыта не может показать доказуемого изменения содержания общего азота в почве удобренных вариантов.
В приведенном выше примере нарочно была взята почва, бедная азотом, с неглубоким пахотным слоем; на черноземных почвах при глубине пахотного слоя в 20—25 см количество азота в почве может быть в 4—5 раз больше. В этом случае средние дозы азота могут изменить количество в почве азота в результате многолетнего систематического применения удобрений всего только на 1—2% общего количества азота в почве.
Аналогичные грубые подсчеты легко можно сделать для учета возможного влияния различных доз органических и минеральных удобрений на количество в почве гумуса, валовых азота, фосфора и калия. Эти подсчеты, а также прямые опыты приводят к выводу, что в большинстве полевых опытов при внесении обычных средних доз удобрений нельзя обнаружить математически доказуемого влияния удобрений на количество в почве гумуса, валовых азота, фосфора и калия. Ho можно достоверно установить влияние удобрений на содержание в почве усвояемых форм азота, фосфора и калия.
Во многих опытах важно учитывать не только урожай надземной массы, но и количество корней. Такие темы, как влияние многолетних трав на повышение плодородия почвы, накопление в почве биологического азота, роль растений в накоплении почвенного гумуса или в борьбе с эрозией, техника внесения удобрений требуют учета содержания корней в почве в определения надземных пожнивных остатков на поверхности почвы после снятия урожая. Если надземные пожнивные остатки можно собрать с большой площади делянки и довольно точно количественно определить их массу, то учесть количество корней в почве очень трудно. Урожай надземной массы определяется со всей площади делянки, а количество корней — выборочным методом, примерно с 1/100—1/1000 части делянки. Если с одной делянки взято по 4—10 монолитов размером 25 х 25 см, то точность такого определения весьма невелика. Основная ошибка при определении количества корней состоит в неправильном размещении на площади делянок мест для взятия монолитов. Чаще всего берут пробы на участках с большим количеством растений, в результате чего приведенные данные зачастую в 2—3 раза и более превосходят возможное содержание корней в почве. Минимальное требование, которое должно быть соблюдено, — это соответствие урожая надземной массы над монолитами, взятыми для определения количества корней, урожаю надземной массы со всей делянки.
Наиболее точно количество корней устанавливается для пропашных растений, когда для выделения корней берется все количество почвы, соответствующее одному растению. При достаточном количестве таких проб получаются достоверные данные о накоплении корней.
В полевых опытах внесение средних доз удобрений приводит к сильному и вполне математически доказуемому изменению содержания в почве подвижных усвояемых питательных веществ.
На подзолистых почвах в полевых опытах органические и минеральные удобрения производят вполне определенное существенное изменение кислотности почвы, причем наиболее достоверные изменения отмечаются для обменной кислотности и содержания в почве активного алюминия, несмотря на большое варьирование этих показателей. В частности, небольшие дозы навоза, не влияя в пределах точности опыта на содержание в почве гумуса, существенно изменяют обменную кислотность подзолистой почвы. Поэтому во всех многолетних опытах с удобрениями, проводимых на малобуферных почвах, необходим постоянный контроль за реакцией и кислотностью почвы, без чего результатам опыта может быть дано совершенно неверное объяснение.
Кроме наблюдений, которые проводятся через несколько лет опыта и подытоживают результаты действия на почву исследуемых приемов, в полевых опытах изучают «динамику» свойств почвы, т. е. изменения некоторых ее свойств в течение вегетационного сезона. Последние наблюдения проводят несколько раз в течение вегетационного сезона. Взятие проб производится либо регулярно через определенное число дней, либо приурочивается ко времени различных обработок почвы, к посеву растений и фазам их развития.
Влажность, аэрация и скважность почвы существенно меняются в течение вегетационного сезона; каждая обработка изменяет ее состояние: после обработки происходит слеживание и уменьшается скважность почвы. Влажность беспрерывно меняется вследствие испарения и передвижения воды в почве.
Следовательно, все время происходит и изменение свойств почвенного раствора, исследование которого тоже относится к изучению почвенной динамики. Трудности выделения почвенного раствора заставляют в ряде случаев заменить его анализом водных вытяжек, что вполне допустимо при определении содержания в почве нитратов, нитритов, хлоридов и сульфатов.
Агрохимические анализы в течение вегетационного сезона имеют большое значение для понимания результатов опыта. Результативность агрохимических исследований в полевых опытах в значительной мере зависит от правильности взятия проб почвы с опытных делянок.
При изучении динамики свойств почвы методику взятия средней пробы устанавливают при помощи математической статистики. На делянке опыта почвенным буром берут большое число (50—100) проб, равномерно распределенных по площади делянки. Пробы анализируются по отдельности, и результаты анализов обрабатывают математически для установления точности работы при различном числе проб. В дальнейшем при изучении динамики свойств почвы с каждой делянки берут установленное количество проб, которые смешивают в одну среднюю пробу. Для каждой делянки правильнее составлять две средние пробы. Количество скважин (отдельных проб), необходимых для составления средней пробы, зависит от размера опытной делянки, пестроты почвенного покрова, определяемого элемента почвенной динамики, желательной степени точности опытной работы.
Обычно на небольшой делянке для составления средней пробы берут не менее пяти индивидуальных проб. Наблюдения над динамикой почвы весьма трудоемки, поэтому часто пробы берут не со всех повторений опыта, а только с некоторых. Это, конечно, приводит к соответствующему уменьшению точности исследования.
Результаты агрохимических исследований сравниваются с данными урожайности растений в опыте. Если агрохимические исследования проводились только для некоторых повторений опыта, то для сравнения с ними должны браться и данные урожайности этих повторений. Точность агрохимических исследований не превышает точности учета урожаев, поэтому сокращение числа повторений, в которых проводятся наблюдения, нежелательно.
Выполнение наблюдений над динамикой почвы во время вегетации растений связано с некоторым повреждением посевов, для уменьшения которого применяются различные приемы: например, люди, берущие пробы, стоят на переносных мостиках, перекидываемых через учетную площадь делянки, чтобы не топтать посевы на делянке. Опасение повреждения посевов приводит к сокращению числа наблюдений и перенесению изучения динамики почвы в специальные лабораторные опыты.
При изучении свойств почвы в динамике следует учитывать возможные изменения ее свойств во время взятия среднего образца в поле, его доставки и хранения в лаборатории до анализа. Поэтому разработан ряд приборов для непосредственного определения в поле влажности, аэрации, pH и других свойств почвы. Такие свойства, как влажность, быстро меняются, и образцы для определения влажности берут немедленно после выемки индивидуального образца почвы, до приготовления средней пробы. Ho и ряд других элементов почвы, изучаемых в динамике, меняется во время высушивания образца, поэтому наиболее правильно анализировать почвы при сохранении ее полевой влажности. Если это требование технически невыполнимо, то должно быть установлено, какие элементы почвенной динамики допускают определение в сухих образцах. Указания по этому вопросу имеются в руководствах и специальных работах, но они меняются в зависимости от условий работы.
Структура почвы при взятии средней пробы разрушается, многие же свойства почвы зависят от структуры. Поэтому разработана методика взятия проб без нарушения естественного строения почвы, ее структуры. С этой целью разработаны различные конструкции почвенных буров, позволяющих брать образцы с ненарушенным строением. В этих образцах изучают влагоемкость почвы, ее воздухо- и водопроницаемость. Ho такие свойства почвы, как влагоемкость, воздухо- и водопроницаемость, испарение воды почвой, газообмен почвы и атмосферы наиболее правильно изучать непосредственно в полевой обстановке.
Почва не является однородной средой. На поверхности почвенных агрегатов протекают одни процессы, внутри — другие. В почве вблизи корней растений идут одни процессы, а в известном отдалении от них — другие. При внесении удобрений они распределяются в почве неравномерно, образуя очаги накопления питательных веществ. Работа со средними величинами не позволяет выявить всего этого разнообразия почвенных условий. Средние показания для целого горизонта дают только сумму накопления и уменьшения в почве того или иного соединения. Изучение реальной динамики почвы требует, кроме того, знания распределения в почве изучаемого соединения, пунктов его накопления и исчезновения.
Размещение в почве веществ и интенсивность процессов в различных пунктах почвы являются предметом изучения микродинамики почвы. С этой целью исследуются ризосфера растений, очаги удобрений и агрегаты почвы. Методика зависит от объекта исследования. В основном она состоит из отбора отдельных типичных участков почвы, их разделения и дробного анализа. При изучении микродинамики почвы могут быть использованы и статистические методы определения неравномерности распределения в толще почвы отдельных свойств или веществ. Например, для изучения влияния удобрений на свойства почвы можно на удобренной делянке взять большое количество индивидуальных проб. Эти пробы вследствие неизбежной в полевых условиях неравномерности распределения удобрений дадут различные показания для накопления в почве NO3, NH4, P2O5, pH, активного Al и других элементов динамики почвы. Между последними можно установить сопряженность путем вычисления коэффициентов корреляции. В результате будет установлена зависимость изменения одного элемента динамики почвы от другого.
Работа при помощи средней пробы иногда может дать и неверное представление о среднем содержании в почве различных веществ вследствие их неравномерного распределения. Например, фосфорная кислота, извлекаемая водной вытяжкой из одних богатых фосфором частиц почвы, поглощается из раствора другими частицами почвы, бедными фосфором. В результате водная вытяжка дает приуменьшенные показания о содержании воднорастворимой фосфорной кислоты в почве. Все это подтверждает большое значение изучения в полевых опытах микродинамики почвы, т. е. реального распределения в почве различных элементов почвенной динамики.
