Long-term rye monoculture on chernozem: stable yields with changing soil organic matter

Abstract

Long-term field experiments are essential for understanding how monocultures reshape soils under climate change. We hypothesised that the buffering capacity of Ukrainian chernozem sustains low but persistent winter rye yields without external inputs, while gradually altering the quality of soil organic matter and the base-cation status. We tested this in a long dataset from Poltava (Ukraine): a 0.4-ha plot established in 1884 and managed uniformly (annual disking and ploughing to 22–25 cm, mid-September sowing, no fertilisers, herbicides or pesticides; varieties renewed). Hydrometeorological records, archived yields (1885–2024) and repeated soil surveys (1964–2024) were analysed; elemental composition was determined by ICP-MS; humus fractions by standard alkaline extraction; statistics in Statistica 12. Mean grain yield was 1.19 t ha⁻¹ (straw 2.80 t ha⁻¹) with wide interannual variability (0.15–2.38 t ha⁻¹) but no significant long-term trend despite regional warming and modest precipitation decline. Topsoil humus (0–20 cm) decreased from 2.8% mid-century to 2.3% in 2024, and the humic: fulvic carbon ratio fell from 1.15 to 0.89, indicating a shift toward more mobile, less polymerised fractions. Soil reaction remained acid to slightly acid (pH(salt) 4.7–5.5) with hydrolytic acidity 2.4–3.8 meq 100 g⁻¹; available N, P and K fluctuated within stable ranges, but Ca and Mg declined. Weed communities changed markedly; pest pressure intermittently exceeded economic thresholds yet appeared buffered by natural antagonists. Continuous winter rye on chernozem maintains modest, persistent yields without fertiliser inputs, while organic matter quantity declines moderately and quality becomes more fulvic; concurrent base-cation depletion flags a risk to structural and ecological stability. The 140-year record provides a rare baseline for calibrating models and designing rotation, liming, and nutrient-return strategies for climate-resilient agro-ecosystems in Eastern Europe. Тривалі польові досліди мають важливе значення для розуміння того, як монокультури змінюють ґрунти за умов кліматичних змін. Ми висунули гіпотезу, що буферна здатність українського чорнозему забезпечує низьку, але стійку врожайність жита озимого без зовнішніх ресурсних надходжень, водночас поступово змінюючи якість органічної речовини ґрунту та стан обмінних катіонів основ.

Цю гіпотезу перевіряли на основі тривалого масиву даних із Полтави, Україна: дослідної ділянки площею 0,4 га, закладеної у 1884 році та веденої за єдиною схемою агротехніки – щорічне дискування і оранка на глибину 22–25 см, сівба в середині вересня, без застосування добрив, гербіцидів чи пестицидів, з періодичним оновленням сортів. Було проаналізовано гідрометеорологічні дані, архівні показники врожайності за 1885–2024 роки та результати повторних ґрунтових обстежень за 1964–2024 роки. Елементний склад визначали методом ICP-MS, фракційний склад гумусу – стандартним методом лужної екстракції, статистичну обробку проводили у програмі Statistica 12. Середня врожайність зерна становила 1,19 т га⁻¹, соломи – 2,80 т га⁻¹, із значною міжрічною мінливістю – від 0,15 до 2,38 т га⁻¹. Водночас достовірного довгострокового тренду врожайності не встановлено, незважаючи на регіональне потепління та помірне зменшення кількості опадів. Уміст гумусу в орному шарі ґрунту 0–20 см знизився з 2,8 % у середині ХХ століття до 2,3 % у 2024 році, а співвідношення вуглецю гумінових і фульвокислот зменшилося з 1,15 до 0,89, що свідчить про зміщення органічної речовини в бік більш рухомих і менш полімеризованих фракцій.

Реакція ґрунтового середовища залишалася кислою або слабокислою: pH сольової витяжки становив 4,7–5,5, гідролітична кислотність – 2,4–3,8 мг-екв 100 г⁻¹ ґрунту. Уміст доступних форм N, P і K коливався в межах відносно стабільних діапазонів, проте вміст Ca і Mg знижувався. Видовий склад бур’янових угруповань істотно змінювався; чисельність шкідників періодично перевищувала економічні пороги шкодочинності, однак, імовірно, частково стримувалася природними антагоністами. Отже, беззмінне вирощування жита озимого на чорноземі забезпечує помірну, але стабільну врожайність без внесення добрив, тоді як кількість органічної речовини ґрунту помірно зменшується, а її якісний склад зміщується в бік переважання фульватних форм. Одночасне виснаження запасів обмінних катіонів основ свідчить про ризик погіршення структурної та екологічної стабільності ґрунту. 140-річний масив спостережень є рідкісною базою для калібрування моделей і розроблення стратегій сівозміни, вапнування та повернення поживних речовин у ґрунт з метою формування кліматично стійких агроекосистем у Східній Європі.