Жизненно необходимое производство разнообразной сельскохозяйственной продукции на миллионах гектаров исторически взаимосвязано с биологическим ресурсом почвы – почвенным плодородием, созданным деятельностью микроорганизмов, червей и других полезных обитателей пашни; а также растений с их способностью к фотосинтезу.
Как показывает многолетняя практика земледелия, высокая биологическая активность почвы, т.е. ее плодородие (заметим, первоначально это бесплатный природный ресурс на целинных и залежных землях), постоянно снижается при проведении интенсивных обработок почв; использовании азотных и других химических удобрений, а впоследствии и широкого ассортимента пестицидов; возделывания меньшего разнообразия растений.
Для сдерживания процессов разрушения основного средства производства – почвенного плодородия в земледелии и растениеводстве в XX в. научными учреждениями разрабатывались и предлагались к использованию правила или системы: способов и приемов обработки почвы; удобрения почвы и растений; их защиты от вредных объектов (сорняков, вредителей и болезней); оптимальных севооборотов.
Современные системы использования средств плодородия предполагают, что зерновые, технические и кормовые культуры эффективнее возделывать с применением различных минеральных удобрений. В Российской Федерации производство азотных, фосфорных, калийных и сложных удобрений постоянно совершенствуется и увеличивается. Это позволило в 2021 г. только по Краснодарскому краю применить туки под полевые культуры в количестве 351,4 тыс. т на площади 1949,7 тыс. га [1]. Однако, несмотря на устойчивый рынок минеральных удобрений и их постоянное применение, не удается остановить снижения физических [2], биологических показателей почвы и ее плодородия [3–5], а следовательно, сохранить устойчивость и доходность сельскохозяйственного производства [6]. Кроме указанных недостатков химические удобрения имеют высокую стоимость и не окупаются при дефиците осадков. Только при оптимальной увлажненности почвы минеральные удобрения способны повысить урожайность полевых культур и количество пожнивных и корневых остатков. Но они не оказывают положительного действия на почвенную биоту, лишь способствуют ее снижению.
В значительно меньшей степени системы применения средств плодородия аргументируют целесообразность регулярного использования таких дешевых органических удобрений, какими являются побочные продукты животноводства. Длительная практика применения данных удобрений в первую очередь связана с тем, что они являются активными биологическими веществами, прошедшими ферментацию в организме животных, и только затем источниками различных минеральных элементов.
Биологическая ценность навоза или помета для почвы и культивируемых растений связана с наличием в них значительного разнообразия преимущественно полезной биоты. Формирование многокомпонентной живой структуры в указанных удобрениях зависит от почвенных микроорганизмов полей, сельскохозяйственных растений и видов животных, утверждал академик Т.Д. Лысенко еще в 1960-е гг. На взаимосвязь явлений в данной биологической цепочке указывают и современные исследования [7–9].
Кроме сельскохозяйственных животных и птицы, имеющих физиологическую способность превращать часть потребленных кормов и воды в навоз или помет, существуют и беспозвоночные животные – земляные (дождевые) черви, которые в течение сотен лет наилучшим образом обрабатывают почву и участвуют в процессах формирования ее плодородия [10]. Обитая в почве, они создают ценное органическое удобрение, 1 м3 которого по биологической активности равен 70 м3 почвы или 4–8 т навоза сельскохозяйственных животных [11]. Дождевые черви сокращают период гумификации растительных остатков более чем в 50 раз [12] и в течение 4–6 месяцев своей жизнедеятельности создают уникальный продукт для оздоровления почвы, в котором содержится 25–35 % гумуса и другие вещества в доступной для почвенной биоты и полевых культур форме. При его внесении растения в период вегетации повышают устойчивость к болезням и вредителям [13]. Еще Дарвин указывал на особенность их желудка и пищеварительной системы, способной разлагать и в значительной мере превращать в перегной (гумус) растительные и другие вещества [14], что не могут делать никакие сельскохозяйственные животные и птица; и даже отдельные почвенные микроорганизмы [13]. В результате жизнедеятельности червей в почве создаются биологически активные вещества, в том числе некоторое количество копролитов, которые содержат уже в доступной форме значительное количество азота, фосфора, калия и другие необходимые растениям элементы питания. Копролиты имеют мелкокомковатую водопрочную структуру, диаметром от 0,5 мм и являются ценной составной частью почвенных агрегатов. В почве черви передвигают и формируют множество ходов, протяженностью тысячи километров на гектар [12], которые повышают проникновение воздуха, осадков, растворов и корневой системы растений. Эти показатели в значительной степени благоприятны при использовании системы ресурсосберегающего земледелия и технологии no-till [15]. В России дождевых червей породы Старатель размножают в различных регионах страны отдельные предприятия и землепользователи.
Цель исследования – определение разнообразия и качества современных доступных органических удобрений в отдельных регионах РФ. Оценка биологических и минеральных компонентов навоза различных животных, куриного помете, биогумуса; а также других источников органического вещества: торфа, сидератов и соломы зерновых культур, как основных элементов, участвующих в стабилизации почвенного плодородия в современном земледелии.
Материалы и методы исследования
Проведен обзор научной литературы и выполнены лабораторные исследования в аккредитованных организациях по биологической и питательной ценности современных доступным органических удобрений по существующим ГОСТам; проанализированы приемы их заделки в почву; собрана информация рынка органических удобрений и отдельные результаты их применения землепользователями.
Результаты исследования и их обсуждение
В современных условиях почвенный биологический пул, как основа плодородия и рентабельного производства, возрастает с переходом на энергосберегающие приемы основной обработки почвы [16] восстановлением количества и разнообразия биоты [17]; возделывании более широкого спектра полевых культур в основных [18] и повторных посевах [19].
Землепользователи всех форм собственности в текущий период могут поддерживать биологическую активность пашни разнообразными и доступными органическими удобрениями, целенаправленно занимаясь их производством в хозяйстве. Формирование высокого качества любых органических удобрений невозможно без периодического определения видового состава и количества биоты. В настоящее время такие исследования выполняются в научных и специализированных лабораториях.
Авторы исследовали готовые к применению партии навоза крупного рогатого скота (КРС), лошадей, птицы; биогумуса на содержание бактериальной и грибной микрофлоры (табл. 1).
Таблица 1
Содержание биоты в навозе КРС, гранулированном курином помете, биогумусе и вытяжке из биогумуса
|
Показатели |
Титр, КОЕ бактбактериальной микрофлоры, см3 |
Титр, КОЕ грибной микрофлоры см3 |
|
Навоз КРС подстилочный 12, 12 месяцев хранения, Краснодарский край, анализ 2021 г. |
1∙109 |
1∙104 |
|
Гранулированный куриный помет из Республики Марий Эл, анализ 2021 г. |
1∙107 |
1∙1010 |
|
Гранулированный куриный помет из Кемеровской области, анализ 2022 г. |
2∙105 и 3∙103 |
2∙103 |
|
Гранулированный конский навоз, Краснодарский край, анализ2021 г. |
1,4∙104 и 5,5∙103 и 1∙105 |
5∙103 и 1∙105 |
|
Биогумус Краснодарский край, анализ 2021 г. |
1∙103 и 1∙105 и 1,8∙106 и 10∙107 |
3∙105 и 2∙103 |
|
Вытяжка из биогумуса, 2021 г. |
4∙105 |
1∙103 |
Примечание: данные получены в лаборатории по существующим методикам, на имеющемся оборудовании и квалификации специалистов.
Для многих земледельцев органические удобрения в основном ассоциируются с навозом КРС и свиней; в меньшей степени других животных – лошадей и овец. Наибольшим многообразием и количеством микрофлоры выделялся биогумус, в котором имелось до 13 видов бактерий и 5 видов грибов. В конском навозе отмечено значительное содержание биоты, в том числе 7 видов бактерий, 6 видов грибов при хорошей их численности. В образце куриного помета 2021 г. видовой состав и численность микроорганизмов была значительно ниже, чем в конском навозе. Навоз КРС содержал большое количество бактерий и грибов, но не имел их разнообразия, в связи с чем существенно уступал по этому показателю вытяжке из биогумуса.
Следовательно, биологическая активность этих органических удобрений зависит от разнообразия и численности биоты, которая формируется различными сельскохозяйственными животными и птицей; но наибольшую биогенность такого продукта обеспечивают почвенные черви Старатель в биогумусе и вытяжке из биогумуса.
На Кубани в 2021 г. хозяйства, где сохранилось животноводство как отрасль, успешно применили 3691,7 тыс. т органических удобрений [1].
В условиях интенсивного химического земледелия на значительных площадях уменьшилось содержание и видовой состав почвенной микробиоты; что явилось основанием для замещения значительной доли супрессивной микрофлоры на патогенную, которая попадает в организм животных и птицы с различными кормами, полученными при возделывании полевых культур и их переработке (концентратами, силосом, сеном и др.). Естественно, низкое качество выращенных кормов и воды; ветеринарные препараты (от туберкулеза, сибирской язвы, чумы, ящура; гельминтов и других болезней и паразитов) [20] заметно влияют на биологическую ценность мяса и продуктов его переработки, а также навоза КРС, свиней и помета птицы. При содержании животных на природных лугах и пастбищах эти проблемы мало актуальны [21].
В современных условиях производства животноводческой продукции возникла острая необходимость проведения ферментации навоза и помета животных и птицы, как биологически сложных отходов. Например, по содержанию биогенных веществ свиноводческий комплекс на 54 тыс. голов эквивалентен городу со 100-тысячным населением [22].
Обеззараживание (ферментация) этих ценных для земледелия отходов традиционно происходит при длительном, 2 и более лет, хранении в буртах (что также снижает всхожесть семян сорняков). Однако уже существуют технологии температурных [23] и микробиологических обработок [24, 25], позволяющих выполнять эту важную работу за более короткий период.
В свежем навозе и помете, который является результатом многочасовой биоферментации различных кормов, воды микробиомом желудка животных, остается 20–50 % азота, 50–70 % фосфора и калия, от содержания их в сене, силосе, зерновых концентратах и других продуктах [26, 27]. В бесподстилочном навозе и помете преимущественно находятся частицы кормов от 0,1 до 5,0 мм [22].
Таблица 2
Минеральный состав твердой фракции свежих экскрементов различных животных и птицы, кг/т
|
Показатели |
Навоз |
Куринный помет |
|||
|
КРС |
свиней |
лошадей |
овец |
||
|
Влажность, % |
83,8 |
82,0 |
75,7 |
64,3 |
62,5 |
|
Сухое вещество |
162 |
180 |
243 |
345 |
200 |
|
Общий азот |
2,9 |
6,0 |
4,4 |
5,5 |
16 |
|
Фосфор |
1,7 |
4,1 |
3,5 |
3,1 |
15 |
|
Калий |
1.0 |
1,5 |
3,5 |
4,6 |
8,0 |
|
Кальций |
3,5 |
0,9 |
1,5 |
3,3 |
24,0 |
|
Отношение С:N |
5:1 |
250:1 |
10:1 |
10:1 |
8:1 |
Примечание: по данным [28, 11, 22].
Содержание основных минеральных питательных веществ в навозе животных и помете птицы не является постоянным и зависит от рациона питания, технологии содержания и срока определения [11]. Наличие некоторых минеральных элементов в свежем навозе и курином помете представлено в табл. 2. Для удобства проведения сравнительного анализа питательной ценности экскрементов животных и птицы данные представлены в килограммах на тонну продукта.
Наиболее высокое количество сухого вещества, 243–345 кг/т, имел навоз лошадей и овец. По наличию макроэлементов куриный помет многократно превосходит навоз других животных. Наиболее высокое содержание углерода отмечено в свином навозе (250:1), что требует дополнительного использования азотных удобрений для оптимизации соотношения данных элементов.
Имеются данные [26] о наличии в навозе жвачных животных различных микроэлементов: бора – 101,0 г; марганца – 1005,4 г; кобальта – 5,2 г; меди – 78,0 г; молибдена – 10,3 г. Указанное количество полезных веществ содержится в 20 т навоза. В курином помете были найдены аминокислоты [28]: лизин – 0,218; гистидин – 0,034; аспарагиновая кислота – 0,476; серин – 0,190; глутаминовая кислота – 0,692; глицин – 0,229; аланин – 0,298; валин – 0,090; изолейцин – 0,070; лейцин – 0,214; тирозин – 0,092; фининаланин – 0,085; триптофан – 0,838 (в % сухого вещества).
Важным компонентом испражнений животных являются их жидкие выделения, которые имеют значительное различие по содержанию сухого вещества. Например, в моче свиней их определено 33 кг/т, что в 2 раза меньше, чем у КРС, и в 10 раз меньше, чем у овец. Однако жидкая фракция свиных выделений содержит в несколько раз больше общего азота, фосфора, калия (соответственно 19,5; 0,7; 8,3 кг/т), чем у крупного рогатого скота. Это является результатом кормления свинопоголовья преимущественно зерновыми кормами [28].
Собственные авторские исследования позволили дополнить известную информацию по химическому составу некоторых органических удобрений. Ведь за прошедшие 20 лет значительно снизилось плодородие черноземов, а следовательно, и содержание макро- и микроэлементов в растениях и кормах (табл. 3).
По опубликованным данным [29] в процессе ферментации возможно провести обогащение подобных удобрений биотой макро-, микроэлементами и другими полезными веществами, тем самым существенно изменить их первоначальный состав. Кроме того, гранулирование куриного помета повышает равномерность его распределения по полю при внесении разбрасывателями, а также создает возможность припосевного внесения обычными и пневматическими сеялками. В количестве 100 и более кг/га. Ведь в 1 т такой органики содержатся биологически активные вещества, а также до 4,0 кг фосфора и 6,0 кг калия в доступном для растений состоянии, а также 20 кг общего азота и 950 кг органического вещества при PH солевой вытяжки 8,0. А самое важное – это микробиота, которая восстанавливает биологический пул почвы. Готовый к применению навоз КРС содержит в меньших количествах органическое вещество и макроэлементы, что требует его применения в значительно бо́льших дозах (20–60 т/га и более) в зависимости от фактического плодородия почвы.
Таблица 3
Минеральный состав навоза КРС и гранулированного птичьего помета, кг/т
|
Показатели |
Навоз КРС подстилочный, 12 месяцев хранения, анализ 2021г |
Гранулированный куриный помет |
|
|
из Республики Марий Эл, анализ 2021 г. |
из Кемеровской области, анализ 2022 г. |
||
|
Ph солевой вытяжки |
5,48 |
7,57 |
8,08 |
|
Органическое вещество |
836 |
953 |
937 |
|
Общий азот |
2,1 |
20,4 |
13,1 |
|
Фосфор подвижный |
1,0 |
4,0 |
3,8 |
|
Калий подвижный |
2,3 |
6,0 |
5,4 |
|
Кальций обменный |
7,7 |
9,7 |
8,42 |
|
Сера подвижная |
0,4 |
0,4 |
0,5 |
Но будем объективными. Недостаточное количество поголовья различных животных и птицы в данный период не позволяет наладить массовое производство и применение навоза и помета в сельхозпредприятиях регионов. Однако реальным выходом из данной ситуации является приготовление искусственных органических удобрений с использованием дождевых червей.
Дождевых червей породы Старатель длительный период размножают некоторые биологи и земледельцы в отдельных регионах страны на различных субстратах и получают оригинальный биологический продукт (червигумус, или вермигумус, или биогумус), отличающийся от навоза и помета по содержанию биоты, минеральных и других элементов. Опубликованные данные (2000–2012 гг.), а также авторские исследования, выполненные в 2022 г., позволили конкретизировать информацию о составе биогумуса различных производителей и вытяжке из него (табл. 4).
Биогумус, как органическое удобрение, в значительном диапазоне изменяет состав активных элементов, в зависимости от используемого субстрата, возраста червей, их дополнительных подкормок органическими продуктами, не содержащими остатков удобрений и пестицидов и соблюдении других элементов биологической безопасности.
Производители биогумуса (1, 2, 4) использовали в качестве субстрата подстилочный навоз КРС и другие виды навоза, помета и пищевых отходов. Питание червей данными биоматериалами способствовало формированию в продукте общего азота –7,3, фосфора – 4,7–8,0 и калия – 7,0 кг/т. Большее количество доступных веществ для питания растений накапливалось в биогумусе при использовании навоза КРС и свиней в качестве субстрата (3-й производитель), где имелось до 300 кг гумуса; 22,0 кг общего азота, 29,0 кг калия и 5,0 кг кальция на 1 т удобрений.
Значительные отличия по содержанию органического вещества, кальция и соотношения углерода к азоту, а также биологической активности (табл. 1) имеет биогумус, где субстратом являлись древесные опилки (производитель 5-й и 6-й продукции – ПК «Блок», Краснодарский край). Вытяжка из биогумуса содержала в 1 т продукта 403 кг органического вещества; значительные количества фосфора, калия и кальция – соответственно 56,7; 428,0; 300,0 кг в доступной форме.
В сельскохозяйственном производстве в значительных объемах используются торф, солома зерновых культур, в отдельных хозяйствах выращивают бобовые сидераты. Это важные источники органических удобрений, обогащающие почву углеродом, макроэлементами и многими полезными веществами. Постоянное использование данного резерва особенно целесообразно для землепользователей, не имеющих отрасли животноводства. В земледелии формируется практика использования в качестве источников органического вещества соломы зерновых культур (и других пожнивных остатков): и в меньшей степени растительной массы сидеральных посевов и торфа. Наличие минеральных питательных элементов в торфе, зеленых удобрениях из бобовых культур и соломе зерновых представлено в табл. 5.
Таблица 4
Минеральный состав биогумуса при использовании разнообразных субстратов, кг/т
|
Показатели |
Производители биогумуса |
|||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
|
Влажность, % |
25 |
28 |
35 |
40 |
45 |
98 |
|
Органическое вещество |
не указано |
203 |
не указано |
не указано |
956 |
403 |
|
Гумус |
не указано |
не указано |
до 300 |
не указано |
до 350 |
не указано |
|
Общий азот |
10 |
7,3 |
22,0 |
19,04 |
10,5 |
22,1 |
|
Фосфор |
8 |
6.0 |
29,0 |
4,7 |
13,5 |
56,7 |
|
Калий |
18 |
12,7 |
22,5 |
7,0 |
12,3 |
428 |
|
Кальций |
не указано |
не указано |
57,0 |
44,0 |
136 |
300 |
|
Магний |
не указано |
не указано |
не указано |
4,6 |
1,5 |
1,2 |
|
Отношение С:N |
25:1 |
12:1 |
не указано |
не указано |
39:1 |
10:1 |
Примечание: по данным [28, 12].
Таблица 5
Минеральный состав органических удобрений из торфа, сидератов и соломы, кг/т
|
Показатели |
Торф низинный |
Зеленое удобрение из бобовых |
Солома зерновых |
|
Влажность,% |
60 |
80 |
16 |
|
Органическое вещество, |
350 |
140 |
800 |
|
Общий азот |
10,0 |
5.0 |
4.0 |
|
Фосфор |
1,2 |
1,1 |
1,5 |
|
Калий |
0,7 |
3.0 |
10,0 |
|
Кальций |
15,0 |
3.0 |
2.0 |
|
Отношение С:N |
60:1 |
20:1 |
80:1 |
Примечание: по данным [30–32].
Торф за несколько месяцев до внесения в почву измельчается и хранится в кучах для разложения кислотных соединений. Значительное содержание органического вещества, общего азота и кальция делает торф полезным органическим удобрением для почвы, особенно в местах его добычи [30].
В зеленых удобрениях (сидератах) влажность растений достигает 80 %, содержание органических и минеральных соединений в 1 т заметно ниже, чем у торфа. Однако при урожае массы в 40 т/га в почву поступает до 200 кг/га общего азота, 40 кг/га фосфора и 45кг/га калия, а также значительное количество кальция; указанные элементы будут доступны растениям после минерализации [31].
В соломе зерновых культур высокое содержание органического вещества, 800 кг/т, которое включает целлюлозу, гемицеллюлозу, лигнин, декстрин, сырой протеин, а также макро- и микроудобрения [32]. Такие пожнивные остатки разлагаются на более простые соединения в почве только при наличии в ней различных групп почвенных микроорганизмов. Солома является самым доступным и технологичным органическим удобрением. Например, при урожайности озимой пшеницы 6 т/га только от поверхностных пожнивных остатков (без корней) после их минерализации в течение 4–6 и до 12–15 месяцев на 1 га поступит до 2160 кг углерода, 35 кг азота, 8,5 кг фосфора и 112 кг калия в биологически доступной для питания растений форме.
Пожнивные остатки лучше разлагаются в поверхностном слое почвы 0–12 см, поэтому их запашка на глубину 20–30 см нежелательна, так как с увеличением глубины основной обработки в анаэробных условиях усиливается минерализация азота и других элементов; происходит сокращение численности и видового состава почвенной биоты.
Любые органические удобрения (навоз, помет, биогумус, торф, сидераты и пожнивные остатки с корневой системой растений) увеличивают водопроницаемость, агрофизические и биологические свойства почвы, а в совокупности урожайность и качество полевых культур. Приводим несколько примеров.
В Ростовской области на черноземах урожайность подсолнечника в среднем за 2015–2017 гг. с применением N75 P75 K75 составила 2,33 т/га, а при внесении под осеннюю вспашку 10 т/га куриного помета – 2,48 т/га [33].
В Китае выращивание полевых культур с пониженными нормами минеральных удобрений и использованием соломы способствовало улучшению питательного режима почвы и урожайности возделываемых культур [34].
Выращивание картофеля в Республике Беларусь в 2021–2022 гг. с использованием гранулированного куриного помета в количестве 1 и 4 т/га формировало урожайность культуры от 58,1 до 82,1 т/га с содержанием крахмала более 10 %, в зависимости от количества выпавших осадков [35].
Исследованиями [36] установлено, что вермикомпост, сформированный на субстрате свиного навоза, как нетрадиционное органическое удобрение, увеличивал содержание нутриентов в болгарском перце (Capsicum annuum L.).
Таким образом, сельхозпроизводители, у которых отсутствует животноводство, имеют возможности регулярного использования других органических удобрений. По расчетам авторов, в хозяйствах, 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. Но они окупаются за несколько лет повышением биологической активности почвы и дополнительными урожаями полевых культур.
В настоящее время формируется рынок органических удобрений, где за ферментированный гранулированный птичий помет предлагают до 23 тыс. руб/т; биогумус на субстрате из опилок – до 120 тыс. руб/т, вытяжку из биогумуса – до 180 тыс. руб/т; гранулированный навоз лошадей и КРС – от 70–90 тыс. руб/т.
Выводы
1. Навоз различных животных и помет птицы быстрее поступает в обращение, если ферментируется температурной обработкой или биологическими методами с участием супрессивных микроорганизмов.
2. В результате жизнедеятельности дождевых червей Старатель через 4–6 месяцев формируется биогумус, многократно превосходящий по разнообразию и содержанию ценной микробиоты все виды навоза и помета.
3. Торф (в местах добычи), зеленые удобрения из бобовых растений и солома зерновых культур являются доступными и дешевыми органическими удобрениями, которые целесообразно ежегодно использовать.
4. При энергосберегающих обработках органические удобрения, растительные остатки сидератов и соломы интенсивнее подвергаются минерализации в поверхностном, 0–12 см, слое почвы, обладающем максимальной биологической активностью.
Библиографическая ссылка
Полоус В.С., Брусов В.Д., Степанов С.П., Прокопова Л.О., Осауленко С.Н. БИОЛОГИЧЕСКИЙ ПУЛ В СИСТЕМЕ ДОСТУПНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ОБРАБОТОК ПОЧВЫ // Успехи современного естествознания. – 2023. – № 12. – С. 18-26;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=38165 (дата обращения: 23.11.2024).