Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Общеэкономические тенденции по энергосбережению в последние десятилетия затронули и сельское хозяйство, в котором основным средством производства исторически является естественное почвенное плодородие, что требует от землепользователей всех форм собственности не допускать его разрушения, так как это отрицательно влияет на экологию и снижает доходы производства.

Вопросы влияния на плодородие и урожайность полевых культур органических, минеральных удобрений, препаратов на основе микроорганизмов и приемов обработки почвы являются актуальными в современном земледелии. Целью и задачей исследований стал анализ литературных источников по определению наиболее эффективных технологий при использовании различных органических и минеральных удобрений, микробиологических препаратов и различной основной обработки, которые в совокупности положительно влияют на биологическую активность почвы.

Материалы и методы исследований.

Авторы изучили опубликованные научные работы, а также передовую производственную практику; отметили достоинства и недостатки существующих технологий по применению различных средств повышения плодородия, в том числе биологических препаратов и приемов обработки почвы.

Результаты исследования и их обсуждение

Согласно современным научным исследованиям и достижениям производства, более высокие урожаи полевых культур формируются на полях, где используются органические и в оптимальных дозах минеральные удобрения; а также внедрены почвозащитные способы основной обработки, в том числе прямой посев, которые препятствуют развитию водной и ветровой эрозии.

Продолжительный период в сельскохозяйственном производстве используются не только технические средства, семена, пестициды, но и органические, и минеральные удобрения, которые ежегодно закупаются на значительные суммы. А значит, от специалистов требуется владение знаниями по их наиболее рациональному применению.

Одним из распространенных средств плодородия является навоз. Его полезные свойства для урожая полевых культур использовали в Древней Руси, так как основу жизненного уклада славян на Дону еще в VI веке составляли пашенное земледелие и скотоводство [1]. Уже в тот период крестьяне сталкивались с истощением пашни.

Ценность навоза КРС обусловлена особым составом микробиома рубца жвачных животных, где в 1 мл жидкости взаимодействуют тысячи микроорганизмов (грибы, бактерии и другие простейшие) [2]. Побочные продукты переработки содержат частицы переваренных кормов (0,25–0,5 мм), в связи с чем обладают высокой микробиологической активностью. В нем сохраняются и минеральные элементы воды, кормов и почвы. По отдельным данным [3], в свежем навозе содержится: азота 0,5%, фосфора 0,3%, калия 0,6% и другие полезные вещества. Следовательно, навоз крупного рогатого скота является сложной многокомпонентной живой структурой, обладающей комплексом полезных свойств для биоты почвы и растений. Способы компостирования и технологии внесения значительно влияют на его эффективность.

Академик Т.Г. Лысенко более 60 лет назад установил наличие полной взаимосвязи между сельскохозяйственными животным, сельскохозяйственными растениями и почвенными микроорганизмами полей [4].

По Краснодарскому краю в 2021 г. было внесено навоза 3691,7 тыс. т, что позволило удобрить оптимальными дозами до 3% пашни [5].

По расчетам авторов, хозяйствам, где сохранилось животноводство, выполнение комплекса работ по компостированию, хранению, перевалке, внесению и заделке навоза обходится от 400 руб./т, что при внесении 50 т/га формирует затраты в 20 тыс. руб./га и более. Однако при соблюдении технологии на каждом этапе, в том числе при использовании укомплектованных навозоразбрасывателей и немедленной заделке органики, происходит активация элементов плодородия почвы. Прибавки урожая культурных растений в течение 2–3 лет превышают таковые от применения минеральных удобрений.

Одним из примеров [6], подтверждающих благоприятное влияние органических удобрений на почву и растения, являются многолетние исследования по выращиванию подсолнечника при различном питании в Ростовской области (табл. 1).

Наиболее высокий сбор маслосемян – 2,48 т/га – был получен при внесении только органических удобрений. Использование сложных химических удобрений вызывало снижение урожайности этой культуры.

Таблица 1

Влияние органических и минеральных удобрений на урожайность подсолнечника в Белокалитвенском районе Ростовской области, т/га

Многолетнее отсутствие поголовья КРС или других отраслей животноводства обусловило в большинстве хозяйств невозможность применять на полях собственную натуральную органику, что является одной из причин дальнейшего снижения биологической активности черноземов.

Возникшие проблемы с дефицитом навоза удалось повсеместно начать решать другими агротехническими приемами. Несколько десятилетий назад, с возрастанием экологических требований против сжигания пожнивных остатков, внедрением энергосберегающих обработок, в том числе прямого посева, и уборочной техники нового поколения появилась возможность управления пожнивными остатками убранных культур. Это позволило оставлять или поверхностно заделывать измельченную побочную продукцию в биологически активном слое почвы 0–10–15 см, а не запахивать плугом на глубину до 20 см и более, где отсутствуют условия для ее разложения [7]. Кроме того, поверхность почвы, лишенная отмерших растительных остатков или вегетирующих растений, всегда подвергается водной и/или ветровой эрозии различной интенсивности, ущерб от которой редко оценивается землепользователями.

Постоянное возвращение в почву растительных остатков значительно повышает количество элементов органического питания, в том числе углерода и других продуктов переработки, так необходимых для жизнедеятельности почвенных микроорганизмов [8, 9] Поэтому наличие разнообразных видов (порой 10 и более) растительных и корневых остатков на целинных землях создает оптимальные условия для функционирования различных микроорганизмов, взаимодействующих с корневыми выделениями (экссудатами) и улучшающих питание растений биологически доступными веществами [10]. На почвах, используемых для интенсивного сельскохозяйственного производства, основанного на применении высоких доз химических удобрений, пестицидов, плужной обработке почвы, севооборотов с короткой ротацией (из 3–4 культур), в том числе насыщенных подсолнечником и/или сахарной свеклой, отмечаются заметное снижение супрессивной биоты и нарастание патогенной, что вызывает разрыв энергетических и пищевых связей между этими группами микроорганизмов. Изменяется корневое питание растений. Распространяются корневые и стеблевые болезни. Возникает необходимость применения фунгицидов [11, 12].

Основным путем решения сложившейся проблемы – необходимости повышения биологической активности почвы и ее плодородия, а также обеспечения устойчивого производства продуктов питания – являются насыщение почвы пожнивными и корневыми остатками и целенаправленное использование микробиологических препаратов высокого качества при протравливании семян и различных обработках вегетирующих растений [13].

Почему это так важно в интенсивно химическом земледелии XXI века? Это связано с их (органические остатки и комплекс микроорганизмов) многосторонним влиянием на биологические, агрофизические и химические свойства почвы.

Продукты жизнедеятельности микобиоты активно участвуют в создании агрономически ценной (10–0,25 мм в диаметре) почвенной структуры с высокой устойчивостью к разрушению осадками; одновременно возрастает водопроницаемость почв, увеличивается доступность биологических форм фосфора, калия, серы и других элементов питания; более активно формируется органическое вещество почвы [14]. Кроме того, с помощью микроорганизмов происходит разложение в почве и окружающей среде пестицидов и других вредных веществ [15].

Таблица 2

Влияние вспашки, поверхностной обработки почвы и прямого посева на количество и некоторый видовой состав грибов в ризосфере озимой пшенице (при N80P52). Среднее 2015, 2016, 2017 гг.

Высокий потенциал для сохранения плодородия почв, накопленный пожнивными остатками, широко применяется за рубежом. Например, проведенные в Китае опыты [16] показали, что использование соломы и уменьшенного количества химических удобрений оказало положительное влияние на содержание углерода, формирование питательных веществ почвы и урожайность сельскохозяйственных культур.

Постоянное обогащение поверхностного слоя почвы растительно-корневыми остатками может происходить более интенсивно во многих регионах РФ, где климатические условия позволяют ежегодно высевать пожнивные культуры, которые технологически размещаются на полях, предназначенных для ярового сева [17, 18], а не только за счет культур севооборота.

По многолетним данным [19], полученным в центральной зоне Краснодарского края, установлены различия по интенсивности минерализации пожнивных и корневых остатков культур звена севооборота (лен масличный – озимая пшеница – могар пожнивного посева и горох) и способом подготовки почвы. На участках без механической обработки (прямой посев) или только с поверхностным рыхлением почвы (6–8 см) складывались благоприятные условия для накопления органического вещества в количестве 2,20 т/га и 1,84 т/га соответственно, что было в 1,4–1,2 раза больше, чем при отвальной вспашке на 22–24 см.

Трехлетними исследованиями, выполненными на юге страны, доказана связь между способом и глубиной заделки пожнивных остатков и дифференцированием микроорганизмов в прикорневой зоне вегетирующих растений. Авторы [20] изучали влияние основной обработки чернозема обыкновенного на почвенную микрофлору в прикорневой зоне озимой пшеницы, которая возделывалась в звене севооборота, и его влияние на урожайность зерновой культуры (табл. 2).

В ризосфере имелись две группы микомицетов. Количество супрессивной (trichoderma) и условно супрессивной (penicillium, rizopus) микоты по энергосберегающей обработке почвы и прямом посеве делянок суммарно составило 9- 8*10-3 КОЕ тыс. ед. 1 г сухой почвы, что превышало данные показатели по варианту с отвальной вспашкой 22–24 см на 33–25% соответственно. В образцах также были обнаружены патогены (fuzarium, alternaria), которые встречались по всем вариантам основной обработки опытного участка, но преобладали на вспаханных на глубину 22–24 см делянках. По мнению авторов, в данном сообществе биологические объекты находились в состоянии жизнедеятельности друг для друга.

Для снижения потенциальной вредоносности патогенов на корнях и растениях зерновая культура обрабатывалась микробиологическими препаратами с фунгицидной активностью: вермисолом 1 л/га и НВ 101 5 мл/га, а также фунгицидом Колосаль Про 0,5 л/га, что положительно сказалось на результатах. Урожайность на вспаханных делянках составила 6,23 т/га, на поверхностно обработанных – 6,48 т/га и при прямом посеве – 6,05 т/га c НСР 0,5 = 0,11.

Многие десятилетия в земледелии применяются минеральные удобрения, которые подготавливают для усвоения корневой системой растений почвенные микроорганизмы [21-23].

Использование определенного количества азотных, фосфорных и калийных удобрений, особенно в условиях достаточной влагообеспеченности, способствует повышению качества и количества урожая [24]. Установлено, что при уборке основной и побочной продукции из почвы выносится различное количество элементов питания [25]. Например, озимой пшенице требуется (по действующему веществу) на построение 1 т зерна и соломы азота 32,5 кг; фосфора 11,5 кг и калия 20 кг; гороху продовольственному на 1 т урожая необходимо азота 66 кг, фосфора 15,2 кг и калия 20 кг. Наиболее оптимальным является сочетание азота, фосфора и калия для полевых культур на черноземе в соотношении 1,5:1:1,0–0,5.

Действие питательных веществ из удобрений продолжается различный период, от 1 до 3 лет. При благоприятных условиях азот используется в первый год на 60–70%; калий – на 50–60%; фосфор – на 15–20% [26]. Однако в указанных материалах не комментируется связь количества используемых удобрений системой «почва – растение» в год внесения с приемами и способами основной обработки почвы.

В период вегетации полевые культуры используют преимущественно азотные удобрения. Азот способствует фотосинтезу, образованию аминокислот и белков. Нитратные формы азота из удобрений наиболее подвижны. Хорошо усваивается корнями растений азот в состоянии иона NO3-, а также в аммиачной форме, представленной ионом NH4+, в процессе нитрификации с участием различных микроорганизмов. Азот из почвы в значительных количествах может вымываться и теряться при денитрификации. Фосфорные и калийные удобрения участвуют в фотосинтезе и росте растений. Различают органический и неорганический фосфор (из апатитов); обе формы малорастворимы в почве. Калий в почвах находится в относительно недоступной, медленно доступной и легкодоступной формах [27].

За многие десятилетия применения минеральных удобрений сложилась практика их внесения: поверхностная, локально – вместе с высеянными семенами; сбоку семенам; внутрипочвенно между рядами семян. На низкую эффективность разбросного внесения удобрений под большинство полевых культур еще в 1950-х гг. указывал академик А.В. Соколов, считая его во многих случаях необоснованным и ведущим к непроизводительным затратам удобрений [28]. Аналогичные результаты получены и в более поздних исследованиях. По данным аграрного факультета университета Буэнос-Айреса [29], при поверхностном применении до 65% от внесенного фосфора в сложных удобрениях остается в слое 0–5 см; в слое 5–10 см его количество не превышает 30%, а на глубину 10–20 см проникает лишь 5%.

Внесение одновременно с посевом двойной комбинации туков, состоящих из физиологически кислых азотных и труднорастворимых фосфорных (нитроаммофос) удобрений, на глубину 4–6 см повысит их эффективность, но предпочтительнее внести такие удобрения в слой почвы 10–15–20 см, в котором расположены активные корни растений, что создает их очаги, усиливает действие корней и работу микроорганизмов, существенно улучшает питание растений. В зонах неустойчивого и особенно недостаточного увлажнения урожай полевых культур зависит не только от содержания продуктивной влаги, но и от характера распределения в почве усвояемых форм питательных элементов [30].

В последние годы успешно применяются удобрения и другие препараты через многократные листовые подкормки по фазам вегетации культур [31]. При данном способе внесения намного сокращается период их поступления в растения – до нескольких часов. Для выполнения таких технологий возрастает потребность в наличии высокопроизводительных опрыскивателей и другого оборудования.

Увеличение посевных площадей по энергосберегающим технологиям и прямому посеву способствовало созданию новых форм сложных гранулированных и жидких удобрений и изучению более эффективных приемов их внесения [32]. Было установлено, что применение малоадсорбируемых почвой минеральных удобрений позволяет добиться заметного передвижения корней в пахотном и подпахотном слоем без его предварительного рыхления и механического помещения в него удобрений, а только за счет сезонных осадков, под действием которых они достигнут слоя 0–30 см и глубже.

Отношение ученых и практиков к искусственным минеральным солям, используемым в качестве удобрений, с момента их появления и до настоящего времени остается неоднозначным.

По оценке некоторых исследователей [33, 34], внесение туков является полезным для почвы и растений, но это требует определенных затрат на их приобретение, особенно в последние годы. По другим данным [35], использование минеральных удобрений не способствовало существенному увеличению содержания гумуса за многолетний период за одну ротацию севооборота, в котором не возделывались многолетние травы, но систематически вносили комплекс удобрений: N60P60K60.

В отдельных публикациях анализируют возникающие проблемы по изучению и определению фосфатного состояния почв [36] и других элементов.

Также в значительном количестве научных работ указывается на отрицательное влияние несбалансированных доз минеральных удобрений на почвенный раствор и физические характеристики пахотного слоя почвы: потерю почвенного азота и ее биологической активности [37]; увеличение минерализации гумуса [38]; разрушение микробиологической системы почвы по количеству и видовому составу [39].

Несмотря на существующие проблемы в экологии, массовое применение минеральных удобрений будет продолжаться до тех пор, пока не будут использованы запасы апатитов и стоимость энергоносителей сделает невыгодным производство синтезированного азота [40].

За прошедшие десятилетия добавились знания по генной инженерии и о механизмах действия отдельных грибов и бактерий, способных увеличивать биологическую доступность питательных веществ почвы [41].

О необходимости поиска простых приемов использования валовых запасов фосфора, калия, серы и других элементов из пашни прозорливо говорили академик Д.Н. Прянишников более 70 лет назад [42] и кубанский профессор А.И. Симакин несколькими десятилетиями позже [43].

Научные исследования и производственная практика показывают, что в настоящий период существует совокупность простых технологических приемов, которые позволяют изменить неэффективную и разрушительную систему воздействия на биологическую активность и плодородие почвы. Современное успешное земледелие обусловлено не столько глубиной основной обработки почвы [44] и количеством примененных минеральных удобрений под полевые культуры [45, 46] сколько использованием органики и природного многообразия микроорганизмов [47, 48, 49, 50], а также систематической оценкой биологической активности и элементов плодородия почвы контрольных участков.

Выводы

1. Старые технологи, основанные на применении отвальной вспашки, высоких доз минеральных удобрений, не препятствуют проявлению водной и ветровой эрозии, сохранению влаги, разрушению органического вещества и биологической активности почвы.

2. Энергосберегающие обработки при внесении навоза или наличии органических остатков, разнообразной микробиоты формируют биологически активный слой почвы.

3. Комбинированное действие органики, сообщества микроорганизмов, оптимальных доз химических удобрений в поверхностном слое почвы способствует обеспечению растений доступными формами питания; снижает экологическую нагрузку и помогает сохранению почвенного плодородия.