Решение проблемы повышения урожайности и улучшения качества продукции в лесостепной зоне Западной Сибири неразрывно связано с необходимостью оптимизации питания растений, с помощью применения удобрений, а также с изучением направленности и основных приемов по управлению продукционным процессом в системе «почва – растение – удобрение» [3, 7, 8, 9].
Научные исследования и практика ведения земледелия свидетельствуют о том, что для повышения продуктивности пашни необходимо расширить круговорот биогенных элементов, улучшить агрофизические и биологические свойства почвы. Это можно сделать на основе высокой культуры земледелия, путём научно обоснованного применения удобрительных средств в севооборотах и комплекса агротехнических мероприятий, направленных на расширенное воспроизводство почвенного плодородия почвы [3, 4, 8].
Следует отметить, что большую ценность представляют научные результаты, полученные в длительных стационарных полевых опытах, так как информация, полученная в них, позволяет изучить действие и последействие изучаемых факторов на плодородие почвы и на продукционный процесс отдельных культур и севооборотов в целом. Особую актуальность в этой связи приобретают вопросы, связанные с изучением длительного применения минеральных удобрений в комплексе с приёмами биологизации на плодородие почвы, продуктивность сельскохозяйственных культур.
Материалы и методы исследований
Исследования проводились в 2009–2011 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 табл. 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 [6].
Результаты исследований и их обсуждение
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).
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, несущественно. Применение соломы с минеральными удобрениями существенных изменений в накоплении гумуса в сравнении с вариантами внесения только минеральных удобрений не обеспечивало.
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 |
Примечание. *норма соломы – 3,0 т/га.
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 (10т/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 (10т/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 [4, 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 %.
Лабильное органическое вещество почвы, которое сравнительно легко подвергается деструкции почвенными микроорганизмами, в немалой степени предопределяет питательный режим почвы растений [9]. 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).
Рис. 1. Баланс (кг/га) и интенсивность баланса (%) азота в зависимости от севооборота
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 |
||
Примечание. 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 ротаций 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×МПА/КАА) |
49 |
65 |
58 |
97 |
|
Нитрификационная способность, мг/кг |
14,6 |
19,4 |
16,3 |
19,4 |
Примечание. 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.
Выводы
1. 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.
2. 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.
3. Применение органоминеральных систем удобрений, сочетающих внесение соломы и минеральных удобрений (N15P23), обеспечивает увеличение продуктивности севооборота на 32 % и окупаемости (18,4 кг зер. ед.) минеральных удобрений.