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.