Устойчивое развитие земледелия, экономически эффективное и экологически безопасное функционирование сельскохозяйственного производства базируется на мерах по сохранению почвенного плодородия. Наряду с широким применением промышленных средств химизации не менее важное значение в системах воспроизводства плодородия почв имеет использование биологических ресурсов [5; 6; 8; 9 и др.]. Использование известных и поиск новых приёмов биологической интенсификации земледелия не умаляет значимости рационального применения химико-техногенных факторов.
Особую актуальность в этой связи приобретают вопросы, связанные с изучением длительного применения агробиологических средств и приёмов в комплексе с рациональным применением минеральных удобрений на плодородие почвы, продуктивность сельскохозяйственных культур и экологическую сбалансированность агроценозов.
Методика исследований
Исследования проводились в 2009-2001 гг. на опытном поле лаборатории агрохимии ГНУ СибНИИСХ в южной лесостепной зоне Западной Сибири в стационарных опытах, заложенных на основе шестипольного зернотравяного (1986 г., закладки) и пятипольного зернопарового (1987 г., закладки) севооборотов. Чередование культур в севооборотах: люцерна 3-х лет использования - пшеница-пшеница-овес и пар-пшеница-соя-пшеница-ячмень соответственно. Севообороты развернуты во времени и в пространстве.
Почва опытного участка - чернозем выщелоченный среднемощный среднегумусный тяжелосуглинистый, исходное содержание подвижного фосфора среднее, обменного калия - очень высокое, величина рНсол - 6,7, близкая к нейтральной.
Схемы опытов представлены в таблицах 1 и 2. Общая площадь делянок 160-200 м2, учетная 36,0-51,2 м2. Размещение делянок систематическое, повторность вариантов - 4-кратная.
В качестве удобрения использовали Naa, АФ и Кх. Фосфорные удобрения вносили весной до посева локально, сеялкой на глубину 6-8 см, аммиачную селитру и хлористый калий - вразброс под предпосевную культивацию. Подстилочный полуперепревший навоз (60 т/га) вносили осенью после уборки замыкающей культуры (овса) один раз за ротацию. Солому зерновых культур измельчали при уборке и оставляли в поле в количестве, соответствующем ее урожаю.
Погодные условия за период исследований были различные. В 2009 году за вегетационный период выпало 404 мм осадков при средней температуре воздуха 15,9 °С при норме 197 мм и t = 16,2 °С. Прохладная погода и влажные условия года спровоцировали распространение болезней, вторичное отрастание сорной растительности и в целом удлинение вегетационного периода, что отразилось на урожайности с.-х. культур. Вегетационный период 2010 года характеризовался резкими перепадами температур воздуха в сочетании с недобором осадков более чем на 40%, ГТК составила 0,55, отмечены явные проявления почвенной засухи. В 2011 году недобор осадков в сочетании с повышенной (на 0,3-1,7 °С выше нормы) температурой воздуха отмечался в первой половине вегетации. В июле-августе увлажнение было более благоприятным (119-121% осадков при ГТК 1,28-1,44). В итоге за вегетацию количество осадков и температура воздуха были почти близки к норме (203 мм и 16,2 °С).
Во всех полевых опытах применялась традиционная технология возделывания зерновых, кормовых и зернобобовых культур и соответствующая серийная почвообрабатывающая и посевная техника. Высевали районированные сорта сельскохозяйственных культур.
Анализ почвы проводили стандартными агрохимическими методами [1]. Численность микроорганизмов учитывали на твердых питательных средах, согласно общепринятым методикам [2].
Результаты исследований обработаны статистическим методом дисперсионного и корреляционного анализов по Б.А. Доспехову [4].
Результаты исследований и их обсуждение
Биологизация земледелия предусматривает совершенствование структуры посевных площадей, освоения плодосменных и других типов севооборотов с насыщением их многолетними бобовыми травами и использованием органических удобрений.
В условиях засушливого земледелия оптимизация водного режима представляется весьма сложной проблемой. Поиск путей более полного и рационального использования выпадающих осадков в условиях интенсификации земледелия имеет особую актуальность.
В системе севооборотов запасы продуктивной влаги в почве дифференцировались в зависимости не только от предшественников, но и вида и дозы удобрений. Весенние запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы, после люцерны летнего срока распашки, соответствовали хорошей обеспеченности (159 мм) и не уступали черному пару. На фонах длительного применения минеральных удобрений влагонакопление было значительно выше в сравнении с неудобренными вариантами, так как использование удобрений обеспечивает не только получение высоких урожаев, но и дополнительное поступление в почву органического вещества в виде пожнивных остатков, опада, что в свою очередь улучшает физические свойства и водный режим почвы. За счет ежегодного внесения измельченной соломы (в среднем 2,0 т/га севооборотной площади) в севообороте запасы продуктивной влаги в почве увеличивались на 6-12 мм. Наилучшие агрогидрологические условия складывались при органоминеральной системе удобрений, предусматривающей комплексное применение соломы и минеральных удобрений (N10-15P17-23+ солома), влагозапасы при этом увеличиваются на 11-13% в сравнении с вариантом без удобрений.
В системе зернопарового севооборота длительное применение минеральных удобрений обеспечивает более экономный расход почвенной влаги, коэффициент водопотребления зерновых культур в этих вариантах на 11-17% ниже, чем в варианте без удобрений (табл. 1).
Таблица 1 - Влияние минеральных удобрений и соломы на водопотребление культур зернопарового севооборота, мм/т зерна, (2009-2011 гг.)
|
Внесено удобрений на 1 га севооборотной площади, кг д.в |
Пшеница по пару |
Ячмень |
|
Без удобрений |
149 |
165 |
|
N12Р18 |
133 |
141 |
|
N17Р34 |
136 |
137 |
|
N30Р54К18 |
128 |
135 |
|
Без соломы |
136 |
144 |
|
*Внесение соломы |
128 |
135 |
* Норма соломы - 3,0 т/га.
Использование соломы снижает коэффициент водопотребления сельскохозяйственных культур на 8-11 мм за счет мульчирующего эффекта и улучшения агрофизических свойств почвы.
Исследования органического вещества почвы показали, что в севообороте, где 50% площади пашни занимают многолетние бобовые травы, содержание гумуса существенно не изменилось по сравнению с исходным (табл. 2). Действие минеральных удобрений на гумусообразование проявилось, начиная с первой ротации севооборота, прирост новообразованного органического вещества отмечался после каждой ротации и зависел от дозы минеральных удобрений.
Исследованиями установлено, что внесение навоза в зернотравяном севообороте является одним из значимых приёмов увеличения гумуса в почве. После третьей ротации севооборота содержание гумуса в варианте внесения навоза возросло на 0,26% в сравнении с исходным содержанием. Наибольший прирост гумуса был получен в варианте N15Р23 + навоз, после третьей ротации севооборота содержание гумуса увеличилось в сравнении с исходным на 0,41%. Действие соломы на гумусовый режим почвы при внесении её в норме, не превышающей 2,0 т/га, не существенно. Применение соломы с минеральными удобрениями существенных изменений в накоплении гумуса в сравнении с вариантами внесения только минеральных удобрений не обеспечивало.
Таблица 2 - Содержание и запасы гумуса в слое почвы 0-20 см после третьей ротации зернотравяного севооборота в зависимости от минеральных удобрений, навоза и соломы, (2003-2008 гг.)
|
Вариант |
Гумус, % |
Запасы гумуса, т/га |
Отклонение ±, % |
|
|
от исходного |
от контроля |
|||
|
Без удобрений |
6,77 |
148,9 |
0,04 |
- |
|
Солома |
6,78 |
149,2 |
0,03 |
0,01 |
|
Навоз (10 т/га) |
6,96 |
153,1 |
0,26 |
0,19 |
|
N10Р17 |
6,83 |
150,3 |
0,15 |
0,06 |
|
N10Р17 + солома |
6,90 |
151,8 |
0,17 |
0,13 |
|
N10Р17 + навоз (10 т/га) |
7,04 |
154,9 |
0,29 |
0,27 |
|
N15Р23 |
6,99 |
153,8 |
0,22 |
0,22 |
|
N15Р23 + солома |
6,94 |
152,3 |
0,16 |
0,17 |
|
N15Р23 + навоз (10 т/га) |
7,18 |
158,0 |
0,41 |
0,41 |
|
НСР05 |
|
|
0,17 |
0,16 |
Обеспеченность растений доступным азотом на черноземных почвах Западной Сибири оценивается по содержанию нитратного азота в слое 0-40 см [3; 7]. Хорошие условия по обеспеченности растений азотным питанием складывались по предшественнику (люцерна), летнего срока распашки. На естественном фоне запасы N-NO3 составили 106-138 кг/га за счет обогащения почвы биологическим азотом растительных остатков люцерны. При введении в севооборот бобового компонента (50% люцерны) баланс азота положительный (21 кг/га) с интенсивностью 119%, при этом в приходной статье баланса доля биологического азота составляет в среднем около 82% (рис. 1). Тогда как в зернопаровом севообороте складывается отрицательный баланс азота (-28 кг/га) с интенсивностью 66%.
Рис. 1. Баланс (кг/га) и интенсивность баланса (%) азота в зависимости от севооборота.
Лабильное органическое вещество почвы, которое сравнительно легко подвергается деструкции почвенными микроорганизмами, в немалой степени предопределяет питательный режим почвы растений [10]. Количество лабильного органического вещества (мортмассы) в почве после люцерны в варианте без удобрений было на 0,27 т/га или 43% выше, чем в этом же варианте по чистому пару (табл. 3).
Таблица 3 - Запасы мортмассы в слое 0-25 см в зависимости от предшественника и применения удобрений в севооборотах, т/га, (2009-2010 гг.)
|
Доза минеральных удобрений, кг/га |
Солома |
Запасы мортмассы |
Прибавка |
|
Зернотравяной севооборот |
|||
|
Без удобрений |
С0 |
0,89 |
- |
|
С1 |
1,00 |
0,11 |
|
|
N10Р17 |
С0 |
1,12 |
0,23 |
|
С1 |
1,25 |
0,36 |
|
|
N15Р23 |
С0 |
1,21 |
0,32 |
|
С1 |
1,37 |
0,48 |
|
|
Зернопаровой севооборот |
|||
|
Без удобрений |
С0 |
0,62 |
- |
|
С1 |
0,76 |
0,14 |
|
|
НСР05 |
|
0,10 |
|
С0 - без соломы; С1 - с соломой.
Систематическое применение соломы увеличивает количество легкоразлагаемого органического вещества в почве на 12-22%. Наибольшие запасы мортмассы (1,25-1,37 т/га) накапливаются при использовании органоминеральной системы удобрений (NP + солома). При этом обеспеченность растений нитратным азотом в этих вариантах увеличилась до 43%.
Сложившееся плодородие по фосфору в севооборотах является результатом систематического применения фосфорсодержащих удобрений. Следует отметить, что исходное содержание подвижного фосфора (105-123 мг/кг) после трёх ротаций севооборота существенно не изменилось. Из органических удобрений (навоз, солома), применяемых в зернотравяном севообороте, только при систематическом использовании навоза в дозе 10 т/га севооборотной площади отмечался прирост подвижного фосфора 35 мг/кг почвы или 34% (в среднем). Обеспеченность обменным калием культурных растений после трех ротации севооборотов была высокой (более 180 мг/кг), и значимых закономерностей в изменении данного биогенного элемента не установлено.
Микробиологический мониторинг состояния почвы свидетельствует, что возделывание люцерны в севообороте интенсифицирует процесс нитрификации, численность нитрифицирующих бактерий в зернотравяном севообороте на 33% больше, чем в зернопаровом агроценозе. А при систематическом внесении соломы отмечается положительная направленность увеличения численности сапрофитных бактерий (на 18%), разлагающих органические соединения азота (на МПА), и фосфатмобилизующих бактерий (на 12%) (табл. 4).
Таблица 4 - Влияние длительного применения удобрений на биологическую активность чернозема выщелоченного под пшеницей, слой 0-20 см, (2009-2011 гг.)
|
Показатель биологической активности почвы |
С0 |
С1 |
N10Р17+ С1 |
N15Р23+ С1 |
|
Численность микроорганизмов, КОЕ/г - бактерии на МПА, млн |
25,7 |
30,2 |
28,2 |
44,5 |
|
- микроорганизмы на КАА, млн |
28,8 |
26,0 |
26,7 |
37,8 |
|
- олигонитрофилы, млн |
108,8 |
96,0 |
11,6 |
192,7 |
|
- фосфатмобилизующие, млн |
77,4 |
87,0 |
63,7 |
137,6 |
|
- целлюлозоразрушающие, тыс. |
41,7 |
27,4 |
34,8 |
38,6 |
|
- нитрификаторы, тыс. |
3,8 |
3,4 |
3,5 |
5,3 |
|
- грибы, тыс. |
38,2 |
28,6 |
27,8 |
92,0 |
|
- общее количество микроорганизмов, млн |
240,8 |
239,1 |
230,4 |
412,7 |
|
КАА/МПА |
1,12 |
0,86 |
0,95 |
0,85 |
|
Пм (МПА+КАА х МПА/КАА) |
49 |
65 |
58 |
97 |
|
Нитрификационная способность, мг/кг |
14,6 |
19,4 |
16,3 |
19,4 |
С0 - вариант без соломы; С1 - вариант с соломой.
Интенсивность микробиологических процессов в почве значительно возрастает в результате комплексного применения минеральных удобрений и соломы (N15Р23+ С1), при этом увеличивается численность бактерий на МПА на 73%, олигонитрофилов на 77%, фосфатмобилизующих бактерий на 78% и нитрификаторов на 56% в сравнении с вариантом без удобрений. Коэффициент трансформации органических соединений (Пм) в этом варианте наиболее высокий - 97.
Интегральным показателем эффективности удобрительных средств и приёмов является продуктивность агроценоза. Исследования показали, что включение в севооборот люцерны способствует формированию урожайности пшеницы на уровне - 2,99 т/га зерна, что на 22% выше, чем возделывание этой же культуры по чистому пару. Систематическое внесение соломы в комплексе с минеральными удобрениями (N15P23 на га/севооборотной площади) обеспечивает продуктивность севооборота на уровне 2,87 т/га зерн. ед., что на 0,70 т/га или 32% выше, чем в варианте без удобрений. Окупаемость одного килограмма удобрений составила 18,4 кг зерна.
Таким образом, в настоящее время для земледелия региона важное значение имеют: систематическое применение соломы, навоза (как раздельно, так и в сочетании с минеральными удобрениями), включение в севооборот многолетних бобовых трав, обеспечивающих увеличение продуктивности сельскохозяйственных культур, поддержание стабильного состояния плодородия почвы, повышение резистентности и экологической безопасности агроценоза.
Выводы
- В условиях южной лесостепи Западной Сибири на черноземных почвах включение в севооборот многолетних бобовых трав (люцерны до 50%) стабилизирует содержание гумуса, повышает запасы мортмассы на 0,48 т/га, содержание нитратного азота, численность агрономически полезной микрофлоры в почве и увеличивает производство зерна более чем на 20% при одновременном повышении его качества.
- Длительное применение органоминеральных систем удобрений в севооборотах способствует увеличению запасов продуктивной влаги в почве на 11-13%, содержанию гумуса на 0,16-0,41%, лабильного органического вещества на 0,36-0,48 т/га, обеспеченности растений нитратным азотом на 18-24% и интенсивности биологических процессов в почве.
- Применение органоминеральных систем удобрений, сочетающих внесение соломы и минеральных удобрений (N15P23), обеспечивает увеличение продуктивность севооборота на 32% и окупаемости (18,4 кг зер. ед.) минеральных удобрений.
Рецензенты
- Ермохин Ю.И., д.с.-х.н., профессор кафедры агрохимии ФГБОУ ВПО ОмГАУ, академик Международной и Российской академий аграрного образования, г. Омск.
- Красницкий В.М., д.с.-х.н., профессор, директор ФГБУ ЦАС «Омский», г. Омск.