Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,823

ВЛИЯНИЕ СЕВООБОРОТОВ НА ПРИРОДНО-РЕСУРСНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ МИНЕРАЛЬНОГО АЗОТА ПОЧВЫ И ФОРМИРОВАНИЕ УРОЖАЯ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ

Сайфуллина Л.Б. 1 Курдюков Ю.Ф. 1 Шубитидзе Г.В. 1 Куликова В.А. 1
1 ФГБНУ «Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Юго-Востока»
В статье рассматриваются вопросы природно-ресурсного потенциала минерального азота, особенности его сезонной динамики под посевами озимой пшеницы в севооборотах разной продолжительности и состава в условиях гидротермических режимов засушливого Поволжья. Изучалась динамика содержания нитратного азота и нитрификационной способности почвы в период вегетации. Среднемноголетние данные указывают на высокую корреляцию климатических режимов и содержания нитратного азота и нитрификационной способности почвы в первой половине вегетации озимой пшеницы (0,65–0,92), а также отрицательное влияние высоких среднемаксимальных температур на поверхности почвы на реализацию потенциала минерального азота в период весенних засух ((–0,65)–(–0,73)). При относительно низкой среднемесячной температуре апреля 2016 г. (температура воздуха – 10 °С; верхнего 5 см слоя почвы – 13,5 °С) и первых двух декад мая (соответственно 14,7–13,6 °С и 17,6–15,8 °С) и повышенном количестве выпавших осадков в мае месяце (77,2 мм) запасы нитратного азота на период отрастания озимой пшеницы под севооборотами составляли в среднем 5,42 мг/кг почвы и достоверно снижались по мере выноса азота растениями до 1,53 мг/кг почвы. При достаточно высокой для зерновых нитрификационной способности почвы (в среднем по севооборотам от 10,81 до 13,37 мг/кг почвы) в первой половине вегетации отмечались интенсивный рост и развитие растений, что заложило благоприятные условия для формирования урожая (4,0–5,6 т/га). Отмечено положительное влияние многолетних трав на развитие нитрификационной способности почвы, что определило прогрессирующий по сравнению с другими севооборотами рост фитомассы с последующим формированием повышенного урожая озимой пшеницы. Установлено превышение содержания азота в зерне с 9-польного зернотравопарового севооборота.
климатические режимы
минеральный азот
нитрификация
севообороты
озимая пшеница
1. Мишустин Е.Н., Шильникова В.К. Биологическая фиксация атмосферного азота. – М.: Наука, 1968. – 531 с.
2. Сайфуллина Л.Б., Чуб М.П., Пронько В.В., Ярошенко Т.М., Климова Н.Ф., Журавлев Д.Ю. Изменение содержания общего углерода и азота в черноземе южном при длительном применении удобрений в Поволжье // Плодородие. – 2016. – № 4. – С. 19–23.
3. Шаповалова Н.Н., Шустикова Е.П. Мониторинг плодородия чернозема обыкновенного, сформированного под воздействием длительного применения минеральных удобрений // Состояние и перспективы агрохимических исследований в Географической сети опытов с удобрениями: материалы Международ. научн.-метод. конф. – М.: ВНИИА, 2010. – С. 131–134.
4. Сайфуллина Л.Б., Курдюков Ю.Ф., Шубитидзе Г.В., Воронцова О.А. Сезонная динамика содержания нитратного азота в паровых полях севооборотов // Сборник статей международной научно-практической конференции, посвященной 129-й годовщине со дня рождения академика Н.И. Вавилова. – Саратов, 2016. – С. 53–55.
5. Добровольская Т.Г., Звягинцев Д.Г., Чернов И.Ю. и др. Роль микроорганизмов в экологической функции почвы // Почвоведение. – 2015. – № 9. – С. 1087.
6. Есаулко А.Н., Гречишкина Ю.И., Подколзин А.И. и др. Агрохимические обследования и мониторинг почвенного плодородия // Учебное пособие для студентов и аспирантов. – Ставрополь, 2009. – 252 с.
7. ГОСТ 26951-86. Почвы. Определение нитратов ионометрическим методом. – URL: http://docs.cntd.ru/document/1200023499.
8. ГОСТ Р (ИСО 5983:1997). Определение массовой доли азота и вычисление массовой доли сырого протеина. Метод Къельдаля. – URL: http://docs.cntd.ru/document/1200028421.

В условиях современного земледелия одним из основных факторов формирования качественного урожая стала обеспеченность агрокультур минеральными формами азота. Основными путями решения задачи являются введение парового поля в севооборотах, применение минеральных удобрений, запахивание сидератов, формирование структуры севооборотов, обработка и другие приемы.

Требования к агротехнологиям нового поколения подразумевают наряду с получением урожая заданного количества и качества эффективное использование природного потенциала питательных элементов при условии воспроизводства почвенного плодородия. Значительная часть минерального азота (до 70 %) в питании растений пополняется за счет естественных резервов почвы. Из минеральных удобрений используется в лучшем случае 75 % вносимого азота [1]. Длительный мониторинг плодородия чернозема обыкновенного и южного в Географической сети опытов с системами удобрений свидетельствует о разной степени снижения содержания валового азота почвы в зависимости от вносимых доз минеральных удобрений. Среднегодовое снижение его запасов в слое почвы 0–40 см в зернопаровом севообороте составляет от 15,10 до 30,30 кг/га. Внесение низких и средних доз минерального азота (N15 и N34) активизирует потери общего азота по сравнению с контролем. Применение высокой дозы минеральных удобрений стабилизирует запасы азота почвы [2, 3].

Разная доля пара в севооборотах и их состав определяют остаточное количество свежей растительной органики в почве и ее качественные характеристики. С введением многолетних трав в севообороты снижаются среднегодовые потери валового азота почвы с 27,2 до 21,2 кг/га [4].

Эффективность использования природного потенциала минерального азота почв связана с микробиологической активностью и определяется интенсивностью нитрификации, которая зависит от гидротермического режима, физико-химических условий почвенной среды, количества свежих органических остатков, характера использования пашни, а также определяется календарными сроками отбора образцов [5].

Цель данного сообщения:

– отразить динамику содержания нитратного азота и нитрификационной способности в условиях климатических режимов засушливой степи на черноземе южном под посевами озимой пшеницы;

– показать влияние состава севооборотов на нитрификационную активность почвы и особенности формирования фитомассы и урожая озимой пшеницы в течение вегетационного периода;

– выявить зависимость количественной и качественной характеристик урожая зерна озимой пшеницы от динамики нитрификации и накопления минерального азота в почве под разными севооборотами.

Материалы и методы исследования

Исследования выполнены в экспериментальном хозяйстве ФГБНУ «Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Юго-Востока» в длительном стационарном опыте отдела земледелия по изучению видов полевых севооборотов. Наблюдения за динамикой содержания минерального азота и нитрификационной способностью почвы проводились в севооборотах разной продолжительности с разным набором культур, которые были заложены после двухлетних уравнительных посевов (вика, овес – яровая пшеница мягкая) и развернуты в пространстве и во времени. Зерно-паро-травяной 9-польный (пар черный, озимая пшеница, просо, яровая пшеница мягкая + многолетние травы, многолетние травы 1-го года пользования, многолетние травы 2-го года пользования, яровая пшеница твердая, яровая пшеница мягкая, яровая пшеница мягкая) и 2-польный зерно-паровой (пар черный – озимая пшеница) севообороты были заложены в 1985 г., 7-польный зерно-паровой (пар черный, озимая пшеница, яровая пшеница твердая, просо, яровая пшеница мягкая, яровая пшеница мягкая, яровая пшеница мягкая) – в 1974 г. Повторность вариантов в опыте 3-кратная, площадь делянок 360 м2.

Почва опытного участка – чернозем южный малогумусный среднемощный тяжелосуглинистый с содержанием гумуса в пахотном слое к моменту закладки опыта 4,8–5,1 %, валового азота 0,223 %, фосфора – в пределах 0,12–0,13 %, калия – 1,46.

С целью изучения влияния климатических факторов на особенности формирования запасов минеральных форм азота в условиях засушливых черноземных степей использовались многолетние наблюдения за гидротермическими режимами теплого периода года. В связи с изучением процессов нитрификации использовались среднемесячные показатели по количеству выпавших осадков и температуре за период, предшествующий отбору образцов. Использовались как многолетние, так и сезонные данные по динамике климатических режимов за вегетационный период 2016 г.

Пробы почвы отбирались из пяти точек по каждому варианту в слое почвы 0–30 см с последующим выделением среднего образца, образцы фитомассы и зерна отбирались в трехкратной повторности [6].

Нитрификационная способность после семидневного компостирования почвы и содержание нитратного азота определялись ионометрическим методом [7]. Содержание валового азота – по методу Кьельдаля после кислотного озоления [8].

Результаты исследования и их обсуждение

В условиях засушливого климата региона одним из актуальных вопросов является изучение закономерностей формирования потенциальной способности почвы к нитрификации и накопления запасов минерального азота в период вегетации растений. Эти процессы взаимосвязаны и имеют высокую отрицательную корреляцию в паровых полях (~ 0,9).

Благоприятные климатические условия для развития активной нитрификации на территории засушливых степей региона складываются в период прогревания почвы в весенний период при соответствующей влажности. Для чернозема южного малогумусного среднемощного тяжелосуглинистого оптимальными являются температура – 20–26 °С и влажность – 28,8 %, что составляет 60 % от полной полевой влагоемкости.

Согласно среднемноголетним данным, корреляция климатических режимов и содержания нитратного азота и нитрификационной способности почвы в вегетационный период составляет 0,52–0,56. Однако эта зависимость имеет более сложный характер, что связано с особенностями микробиологической активности почвы и динамикой выноса минерального азота фитомассой и урожаем (табл. 1).

Таблица 1

Корреляция содержания нитратного азота и нитрификационной способности с климатическими факторами на посевах озимой пшеницы

Показатели

Конец мая, выход в трубку

Конец июля, уборка

ГТК

Осадки

Т °С на поверхности почвы

ГТК

Осадки

Т °С на поверхности почвы

Средне-месячная

Ср. max

Средне-месячная

Ср. max

N-NO3

0,73

0,73

0,92

–0,73

0,18

0,18

0,20

–0,18

Нитрификационная способность

0,65

0,65

0,80

–0,65

0,01

0,01

0,01

–0,01

К фазе выхода в трубку озимой пшеницы корреляция ГТК и количества выпадающих осадков с содержанием нитратного азота составляет 0,73, а с нитрификационной способностью – 0,65. Существенное значение имеет интенсивность прогревания почвы в начале вегетации. Корреляция со среднемесячной температурой составляет соответственно 0,92 и 0,80. Однако ранневесенние засухи с высокими значениями среднемаксимальной температуры на поверхности почвы при быстром высыхании почвы ограничивают сроки активной нитрификации. Коэффициент корреляции со средней максимальной температурой на поверхности почвы составляет (–0,65) для нитрификационной способности и (–0,73) – для нитратного азота.

В ходе вегетации озимой пшеницы в связи с выносом азота к фазе созревания зерна значения коэффициентов корреляции гидротермических режимов с запасами нитратного азота и потенциальной способностью к нитрификации снижаются. К моменту уборки урожая корреляция показателей с климатическими факторами практически отсутствует (Ккорр. 0,2 – (–0,18)) в связи с интенсивным выносом минерального азота с урожаем.

Для вегетационного периода 2016 г. было характерно повышенное для региона количество выпавших осадков в мае месяце (77,2 мм) при относительно низкой среднемесячной температуре апреля (температура воздуха – 10 °С; верхнего 5 см слоя почвы – 13,5 °С) и первых двух декад мая (соответственно 14,7–13,6 °С и 17,6–15,8 °С). Низкая температура воздуха и верхних слоев почвы, несмотря на оптимальную влажность (23–26 %), тормозила формирование запасов нитратного азота. На фоне его выноса озимой пшеницей на момент отрастания (11.04.16) содержание составило 4,26–6,80 мг/кг почвы и достоверно снижалось по мере формирования фитомассы и зерна (табл. 2).

Таблица 2

Динамика содержания минерального азота и нитрификационной способности под посевами озимой пшеницы за вегетационный период 2016 г.

севообороты

Сроки отбора образцов

11.04.16

05.05.16

30.05.15

04.07.16

Нитратный азот

1

2

3

4

5

7-п з/п

6,80

3,5

2,5

1,51

9-п. з-п

5,20

3,4

2,6

1,58

2-п

4,26

3,0

2,9

1,51

среднее

5,42

3,30

2,67

1,53

Критерий Дункана (множественное сравнение частных средних)*

с

в

ав

а

Р = 11,88, F = 18,108*, НСР = 5,170

Аммонийный азот

1

2

3

4

5

7-п з/п

10,95

5,70

7,69

 

9-п. з-п

2,18

3,80

19,6

 

2-п

7,91

2,14

7,40

 

Нитрификационная способность

7-п з/п

6,70

11,0

12,6

5,29

9-п. з-п

16,2

9,8

16,9

4,62

2-п

9,54

9,6

10,6

5,69

среднее

10,81

10,13

13,37

5,20

Коэффициент вариации

36,823

6,102

19,663

8,489

Примечание. * – критерий Дункана (множественное сравнение частных средних).

С повышением температуры верхних слоев почвы (5 см) в конце третьей декады мая (30.05.15) до 21,8 °С при средней влажности почвы 20 % получил развитие процесс аммонификации, особенно выраженный в 9-польном зерно-паро-травяном севообороте, где содержание аммонийного азота достигало 16,9 мг/кг почвы. Помимо того здесь же была повышена способность к нитрификации по сравнению с 7- и 2-польными севооборотами на момент отрастания (11.04.16) озимой пшеницы и в начале формирования зерна (30.05.15): соответственно 16,2; 6,70; 9,54 мг/кг почвы и 16,20; 12,6; 10,6 мг/кг почвы. Коэффициент вариации между вариантами составил 36,823 и 19,633.

Уровень нитрификационной способности тесно коррелирует с формированием количества фитомассы и урожая зерна озимой пшеницы, а также с выносом азота в течение вегетационного периода и его содержанием в зерне. Коэффициент корреляции составляет 0,9–1. В 9-польном севообороте к стадии выхода в трубку урожай абсолютно сухой фитомассы культуры (35,73 ц/га) достоверно превышал 7- и 2-польные севообороты в среднем на 24 %, а вынос азота (95,40 кг/га) – на 32 %. Благоприятные условия для развития культуры в 9-польном севообороте обеспечили прогрессирующий рост фитомассы и выноса азота к началу формирования зерна. Урожай абсолютно сухого вещества составил 10,74 т/га, что превышало два других севооборота уже на 30 %, а вынос азота (143,85 кг/га) – на 41,23 %. По содержанию азота в фитомассе не отмечалось значимого различия.

Развитие озимой пшеницы в условиях повышенной способности почвы к мобилизации минерального азота почвы на протяжении вегетационного периода (9-польный зерно-паро-травяной севооборот) в условиях гидротермического режима 2016 г. способствовало формированию урожая (5,51 т/га), достоверно превышающего 7- и 2-польные севообороты в среднем на 22,5 %. По содержанию азота/белка зерно озимой пшеницы из 9- и 7-польных севооборотов (2,03/11,57 и 1,92/10,94 %) значимо превышало зерно из 2-польного севооборота (1,77/10,09 %). Вынос азота с урожаем озимой пшеницы в зерно-паро-травяном севообороте составил 111,84 кг/га, что в среднем на 35 % выше по сравнению с 7- и 2-польными севооборотами (табл. 3).

Таблица 3

Вынос азота с вегетативной массой и урожаем

Повторность

Выход в трубку 06.05.17

Начало формирования зерна 30.05.17

Урожай зерна

Урожай фитомассы, зерна (ц/га воздушно-сухой)

 

7-п

9-п

2-п

7-п

9-п

2-п

7-п

9-п

2-п

1

2,63

3,35

3,12

6,10

10,52

7,99

4,04

5,63

4,80

2

2,31

3,69

2,51

7,28

10,82

9,62

3,89

5,49

4,41

3

2,51

3,68

3,13

7,32

10,90

6,92

3,98

5,11

4,50

среднее

2,48

3,57

2,92

6,90

10,74

8,17

3,97

5,51

4,57

*

а

в

а

а

с

а

а

в

а

 

Р = 4,96 %, F = 13,650,* НСР = 0,582

Р = 5,71 %, F = 15,855,* НСР = 1,929

Р = 1,11 %, F = 55,524,* НСР = 0,183

Ккорр с нитрификационной способностью на период отрастания – ~ 1

Содержание азота ( %)

 

7-п

9-п

2-п

7-п

9-п

2-п

7-п

9-п

2-п

1

2,21

2,66

2,15

1,17

1,40

1,11

1,93

1,99

1,68

2

2,73

2,68

2,38

1,07

1,42

1,08

2,00

2,08

1,81

3

2,53

2,66

2,43

1,20

1,20

1,13

1,83

2,02

1,82

среднее

2,49

2,67

2,32

1,15

1,34

1,11

1,92в

2,03в

1,77а

 

Р = 4,96 %, F = 4,914

Р = 4,58 %, F = 5,174

Р = 1,98 %, F = 12,988*, НСР = 0,141

Вынос азота (кг/га)

 

7-п

9-п

2-п

7-п

9-п

2-п

7-п

9-п

2-п

1

58,19

88,99

66,97

71,00

147,26

88,71

77,97

112,04

80,66

2

62,93

99,01

59,83

77,91

153,46

103,84

77,80

114,19

79,84

3

63,60

97,87

76,16

87,80

130,83

78,00

72,83

109,28

81,86

среднее

61,85

95,40

67,77

78,90

143,85

90,18

72,20

111,84

80,79

*

а

в

а

а

в

а

а

в

а

 

Р = 4,16, F = 33,210*, НСР = 12,230

Р = 6,11 %, F = 29,652*, НСР = 25,018

Р = 1,41 %, F = 234,710*, НСР = 4,968

Примечание. * – критерий Дункана (множественное сравнение частных средних).

Выводы

Многолетние наблюдения свидетельствуют о том, что интенсивность нитрификации и содержание нитратного азота в почве в засушливых условиях на черноземе южном в первой половине вегетации озимой пшеницы определяются количеством выпадающих осадков в весенний период и среднемесячной температурой на поверхности почвы. Весенние засухи, сопровождаемые повышением средней максимальной температуры на поверхности почвы, тормозят процесс нитрификации и формирования запасов нитратного азота.

По мере выноса азота с урожаем фитомассы и зерна запасы нитратного азота в почве снижаются. Их уровень не зависит от типа севооборота. В ходе вегетации и формирования урожая вынос минерального азота из почвы происходит до определенного предела (1,51–1,58 мг/кг почвы).

В первой половине вегетации озимой пшеницы присутствие в севообороте многолетних трав усиливает интенсивность нитрификации. Ее снижение к фазе созревания зерна, как и для нитратного азота, происходит до определенных пределов независимо от севооборота (4,62–5,69 мг/кг почвы). В ходе вегетации значение Квар для вариантов снижается от 36,823 до 8,489.

Благодаря повышенной способности к нитрификации в 9-польном севообороте пищевой режим растений получает преимущество в корневом питании по поступлению минерального азота. Прогрессирующий рост фитомассы и выноса азота в 9-польном севообороте способствовал в условиях гидротермического режима периода вегетации озимой пшеницы в 2016 г. формированию урожая, на 22,5 % превышающего 7- и 2-польные севообороты по валовому сбору и значимо превышающего по содержанию азота/белка зерно с 2-польного севооборота.

Таким образом, введение многолетних трав в севооборот является элементом агротехнологий, обеспечивающим увеличение урожайности зерна озимой пшеницы с повышенным содержанием азота при условии относительной стабилизации почвенного плодородия без применения минеральных удобрений.


Библиографическая ссылка

Сайфуллина Л.Б., Курдюков Ю.Ф., Шубитидзе Г.В., Куликова В.А. ВЛИЯНИЕ СЕВООБОРОТОВ НА ПРИРОДНО-РЕСУРСНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ МИНЕРАЛЬНОГО АЗОТА ПОЧВЫ И ФОРМИРОВАНИЕ УРОЖАЯ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ // Успехи современного естествознания. – 2017. – № 9. – С. 41-46;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36538 (дата обращения: 24.10.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074