Агрохимия, 2022, № 11, стр. 72-79

ВВЕДЕНИЕ

Повсеместное снижение запасов гумуса в почвах, как отмечают исследователи [1, 2], явилось одной из основных причин перехода на биологическое земледелие. В решении проблемы воспроизводства плодородия почв существенную роль играют органические удобрения в виде навоза, компостов [3]. Они способствуют улучшению водно-воздушных, физико-химических и агрохимических свойств почвы [4]. В условиях дефицита органических удобрений применение экологически безопасных биоресурсов агроценозов – сидератов, соломы и других, как наиболее дешевых, экономически выгодных и ежегодно возобновляемых удобрений стало требованием времени [5]. Солома считается одним из мощных средств, оказывающих влияние на запасы органического вещества в почве [6]. Отмечено ее положительное влияние на урожайность культур в прямом действии [7] и в последействии [8], поскольку в почву при средней урожайности соломы 4 т/га поступает дополнительно азота – 14–22, фосфора – 3–7, калия – 22–55 кг/га [9].

Многие авторы отмечали, что систематическое использование соломы улучшает физические свойства почвы, ее водный и тепловой режим [10, 11]. Совместное применение соломы с минеральными удобрениями действует как навоз при условии выравненности соотношения основных элементов питания [12]. Солома оказывает влияние на содержание элементов питания в почве [13, 14]. Использование ее в качестве мульчи полностью прекращало эрозию [15].

В минерализации растительных остатков и соломы непосредственное участие принимают микроорганизмы. Их численность и видовой состав определяют интенсивность минерализации, которая зависима от почвенных и климатических условий [16]. По данным ряда исследователей [17], сделано обобщение, что в первую очередь разлагаются наиболее легкоусвояемые органические соединения – пентозаны, простые сахара, белки. В это время развиваются неспорообразующие бактерии рода Pseudomonas, а также мукоровые и пикнидиальные грибы. Позднее в разложение соломы включаются грибы и бациллы, а затем начинается разложение клетчатки. Появляется типичная целлюлозоразлагающая микрофлора.

Опыты, проведенные в Удмуртском НИИСХ, показали повышение биологической активности почвы при внесении ржаной соломы 5–6 т/га, причем под 1-й культурой севооборота интенсивно развивались сапрофитные (гнилостные) микроорганизмы, под 3-й – целлюлозоразлагающие [18]. В опытах было выявлено, что при разной насыщенности севооборота органическими и минеральными удобрениями биологическая активность среднесмытой дерново-подзолистой почвы была слабой (по данным 60-суточного разложении льняных полотен по методу Звягинцева) на фоне 2-разового внесения соломы озимой ржи за ротацию севооборота. В начале его ротации этот показатель был больше – 17.1–29.3%, в среднем за ротацию составил 15.7–24.6%. При внесении органических удобрений отмечено достоверное повышение биологической активности пахотного слоя почвы. Выявлено, что в слое 0–10 см и органические, и минеральные удобрения обеспечили существенное повышение биологической активности почвы. В нижележащем слое 10–20 см только органические удобрения существенно повлияли на этот показатель. Сохранение и повышение эффективного плодородия почвы обеспечивали высокий уровень урожайности культур севооборота – 3.00 и 4.22 т/га.

Повышению плодородия почв в условиях острого дефицита органических удобрений способствует также использование зеленого удобрения (сидерата). Объясняется это и соотношением С : N в органическом веществе сидерата. Чем оно шире, тем медленнее проходит процесс минерализации, чем уже, тем быстрее разлагается органическое вещество [19]. Обогащение почвы легкогидролизуемым органическим веществом, каковым является сидерат, нормализует микробиологические процессы в почве и снимает почвоутомление в севооборотах, насыщенных основными культурами, за один вегетационный период [20]. Пожнивные и промежуточные посевы на зеленое удобрение способствуют улучшению агрохимических свойств почвы, они улучшают физические свойства почвы – структуру, скважность, объемную массу [21]. Запахивание сидеральных культур, особенно бобовых на зеленое удобрение, является важным источником обогащения почвы свежим органическим веществом и биологическим азотом, мощным приемом воспроизводства, прежде всего, эффективного плодородия почвы [22]. Цель работы – исследование влияния запахивания соломы в сочетании с применением минеральных, органических и сидеральных удобрений на биологическую активность почвы.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование с использованием соломы в качестве органического удобрения проводили в Удмуртском НИИСХ – структурном подразделении УдмФИЦ УрО РАН на дерново-среднеподзолистой среднесуглинистой почве с агрохимическими показателями пахотного слоя (0–20 см): рН_KCl 5.9, Н_г – 1.38–1.56, S – 14.6–12.7 мг-экв/100 г почвы, Р₂О₅ – 280–152, K₂О по Кирсанову – 116–113 мг/кг почвы, содержание гумуса – 2.4 –2.3% соответственно в зависимости от закладок в 2 этапа.

В 1977–1980 гг. в одном из стационарных опытов в звене севооборота горох – озимая рожь – ячмень определяли состав и численность микроорганизмов в почве (опыт 1). Под первую культуру (горох) осенью запахали на глубину пахотного слоя 20–22 см минеральные удобрения (аммиачную селитру, суперфосфат двойной гранулированный, хлористый калий) в дозах N60Р120К90, жидкий навоз 150 т/га (эквивалентный N60) и измельченную ржаную солому (3–4 см) из расчета 5 т/га. В варианте с соломой весной под предпосевную обработку почвы внесли N60. Под 2-ю культуру (озимую рожь) осенью были внесены минеральные удобрения – N60Р100K60 и весной N45. Солому озимой ржи 2-й культуры в почву не запахивали. Под 3-ю культуру (ячмень) внесли осенью N50Р90K40 и весной N45. В сумме было использовано удобрений в действующем веществе N320Р310K190. Опыт проводили в 3-х закладках, в трехкратной повторности. В опыте использовали бесподстилочный навоз крупного рогатого скота с содержанием (% на сырую навеску): общего азота – 0.103, Р₂О₅ – 0.065, K₂О – 0.179 и влажностью 93.6%. В использованной в опыте соломе содержалось (% абсолютно сухого вещества): общего азота – 0.67, Р₂О₅ – 0.15, K₂О – 1.97. Жидкий навоз вносили с помощью 8-кубовой цистерны (8 м³), агрегатируемой трактором К-700. Дозировка навоза зависела от скорости трактора и количества прохода его по делянке. Дозу внесения навоза устанавливали по содержанию в нем общего азота из расчета N60.

После уборки культур из пахотного слоя 0–20 см отбирали почвенные образцы, в которых определяли состав микроорганизмов по методике, описанной в [23] – методом пластинок на твердых питательных средах. Аэробные бактерии, использующие органический азот почвы, учитывали на мясопептонном агаре (МПА), актиномицеты – на крахмало-аммиачном агаре (КАА), целлюлозоразлагающие бактерии – на среде Гетчинсона, грибы – на сусло-агаре (СА).

В 2001–2008 гг. исследования вели в 3-факторном опыте с видами пара (опыт 2): фактор А – севообороты с видами пара и сидеральными культурами (табл. 1). За основу изучения выбран типичный для республики 8-польный севооборот с 2-мя годами пользования клевера лугового. Чередование культур в севооборотах: С.1 – пар чистый–озимая рожь–ячмень + клевер–клевер 1-го года пользования (г.п.)–клевер 2-го г.п.–озимая рожь–ячмень–овес; С.2 – пар занятый (викоовсяная смесь на зеленый корм)–озимая рожь–ячмень + клевер, клевер 1-го г.п.–клевер 2-го г.п.–озимая рожь–ячмень–овес; С.3 – пар сидеральный (викоовсяная смесь)–озимая рожь–ячмень–яровая пшеница + клевер–клевер 1-го г.п.–озимая рожь–ячмень + озимая рожь на сидерат–овес; С.4 – пар сидеральный (клевер 1-го г.п.)–озимая рожь–ячмень–яровая пшеница + + клевер–клевер 1-го г.п.–озимая рожь–ячмень–овес. В паровом поле севооборота С.3 в качестве сидерата выращивали викоовсяную смесь и после уборки предпоследней культуры – ячменя повторно для сидерации высевали озимую рожь. В севообороте С.4 в качестве сидерата запахали клевер. Фактор Б (фон): 1 – без удобрений, 2 – навоз крупного рогатого скота 40 т/га (5 т/га севооборотной площади, внесли в паровом поле) с содержанием (на сырую навеску,%) общего азота – 0.98, Р₂О₅ – 0.35, K₂О – 0.41 и влажностью – 76%. Фактор В (варианты): 1 – без удобрений (контроль), 2 – NPK, 3 – солома озимой ржи из расчета 4.5 т/га, вносили вручную, 4 – солома озимой ржи (4.5 т/га) + NPK. При заделке соломы добавили азот 8 кг/т соломы. Минеральные удобрения под озимую рожь – N60 (из них N30 до посева, N30 весной в подкормку) и Р40К60 осенью под зяблевую вспашку, под ячмень – N30P40K40, яровую пшеницу – N30P60K60. Под клевер удобрения не вносили. Опыт проводили в 2-х закладках. Урожайность сидератов в севооборотах 1-й закладки составила: викоовсяной смеси (С.3) в 2000 г. – 36.8, клевера 1-го г.п. (С. 4) в 2001 г. – 30.5 т/га; во 2-й закладке урожайность клевера 1-го г.п. (С.4) в 2001 г. – 22.9, в 2002 г. – 29.6 т/га. Повторность опыта – четырехкратная. В данном опыте проводили определение биологической активности почвы аппликационным методом по интенсивности разложения льняного (в нашем опыте хлопчатобумажного) полотна [23]. В первой декаде июня ткань размером 20 × 5 см взвешивали и прикрепляли к полоске полиэтиленовой пленки. На делянках в четырехкратной повторности их закапывали на глубину 15–20 см и отмечали колышками. Для периодического контроля в одном варианте закладывали дополнительно 3 полотна. В связи с засушливыми условиями в июне–июле полотна выдерживали в почве в течение 60 сут. После отмывания и просушивания их взвешивали. По разности массы до и после закладки определяли убыль сухой массы ткани.

Статистическую обработку численности микроорганизмов и биологической активности почвы провели по методу дисперсионного анализа [24].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В звене севооборота горох–озимая рожь–ячмень солома оказала положительное влияние на развитие микрофлоры в почве (табл. 2). Возрастало общее количество микробиоты, актиномицетов, грибов и целлюлозных микроорганизмов. Однако прохладная погода и недостаток влаги в почве, а также бесподстилочный (жидкий) навоз, внесенный в качестве азотного удобрения, сдерживали их размножение. Например, на фоне жидкого навоза в варианте с соломой бактерий, определяемых на МПА, лишь под первой культурой – горохом доказуемо было больше, чем без соломы: 18.5 против 15.6 млн/г абсолютно сухой почвы (а.с.п.) при НСР₀₅ = 2.1. Существенного роста численности актиномицетов, грибов и целлюлозных бактерий не последовало. В разложении соломы группы микроорганизмов в основном принимали участие в последующие годы. На 2-й год под озимой рожью численность бактерий, определяемых на МПА, возросла с 17.4 до 25.4 млн/г а.с.п. по сравнению с первым годом, количество актиномицетов увеличилось с 2.9 до 24.1 млн/г а.с.п., численность грибов с 5.1 до 29.6, численность целлюлозных бактерий – с 5.1 до 29.6 тыс./г а.с.п. На фоне применения минеральных удобрений (NPK) количество бактерий на МПА увеличилось в первом последействии соломы под озимой рожью с 19.7 до 28.6 млн/г а.с.п., грибов – с 20.0 до 29.1 и целлюлозных бактерий – с 23.8 до 33.4 тыс./г а.с.п., но уменьшилась численность актиномицетов с 35.0 до 18.4 млн/г а.с.п. Эти данные согласуются с результатами исследований [2], описанных в научной литературе.

Существенные различия численности микроорганизмов отмечали по годам. Под первой культурой (горохом) на фоне минеральных удобрений количество микроорганизмов, выращенных на мясопептонном агаре (МПА), актиномицетов, грибов и целлюлозоразлагающих бактерий как при применении соломы, так и без нее практически было одинаковым. На фоне бесподстилочного навоза + NPK в варианте с соломой увеличилось количество бактерий, определяемых на МПА на 18.6% (с 15.6 до 18.5 млн/г а.с.п.) и актиномицетов – на 75.0% (с 2.4 до 4.2 млн/г а.с.п.). Почти не изменилось количество грибов и целлюлозных бактерий. При совместном внесении соломы с минеральными удобрениями повышение численности микроорганизмов, использующих минеральные формы азота (на среде КАА), могло свидетельствовать о преобладании минерализационных процессов над аккумулятивными, что не способствовало закреплению органического вещества в почве [25].

На 2-й год под озимой рожью численность изученных микроорганизмов существенно возросла по сравнению с первым годом: в варианте без соломы за счет применения минеральных удобрений, в варианте с соломой за счет последействия соломы, жидкого навоза в сочетании с минеральными удобрениями. Например, на фоне применения NPK в первый год последействия соломы увеличилось количество бактерий на МПА с 19.7 до 28.6 млн/г а.с.п. (на 45.2%), грибов – с 20.0 до 29.1 (на 45.5%) и целлюлозных бактерий – с 23.8 до 33.4 тыс./г а.с.п. (на 40.3%), и уменьшилось число актиномицетов с 35.0 до 18.4 млн/г а.с.п. (на 47.4%). На фоне применения жидкого навоза с добавлением NPK также отмечено увеличение численности микроорганизмов: грибов – с 33.1 до 36.3 (на 9.7%), целлюлозных бактерий – с 11.4 до 21.6 (на 89.5%), актиномицетов – с 19.8 до 55.2 млн/г а.с.п. (на 179%), тогда как численность бактерий на МПА снизилась с 31.0 до 22.2 млн/г а.с.п. (на 28.4%).

Под 3-й культурой (ячменем) на обоих фонах существенно снизилось количество бактерий, выращенных на МПА, по сравнению с предыдущим годом (с 25.4 до 6.1 млн/г а.с.п. в среднем). В то же время увеличилось количество грибов и целлюлозоразлагающих бактерий с 29.6 до 41.5 и с 22.6 до 60.4 тыс./г а.с.п. соответственно. Численность актиномицетов практически не изменилась (24.1–25.8 млн/г а.с.п. в среднем). На 2-й год последействия соломы под ячменем на фоне NPK произошло дальнейшее увеличение количества микроорганизмов относительно к первому ее последействию под озимой рожью: актиномицетов – с 18.4 до 26.4, грибов – с 29.1 до 42.7 и целлюлозоразлагающих бактерий – с 33.4 до 68.8, но уменьшилось количество бактерий на МПА с 28.6 до 7.2 млн/г а.с.п. На фоне применения жидкого навоза + NPK также наблюдали снижение численности бактерий на МПА (с 22.2 до 5.1 млн/г а.с.п.). Кроме того, снизилось и количество актиномицетов (с 55.2 до 32.8 млн/г а.с.п.), а также грибов на уровне тенденции – с 36.3 до 35.0 тыс./г а.с.п.), но резко увеличилась численность целлюлозных бактерий (с 21.6 до 59.9 тыс./г а.с.п.).

Что касается использования в звене севооборота совместно с соломой бесподстилочного навоза, данные о нем свидетельствуют как о вполне конкурирующем с минеральными удобрениями (NPK) субстрате. В сочетании с NPK бесподстилочный навоз увеличил количество актиномицетов с 18.0 до 22.4 млн/г а.с.п. (на 24.4%) и грибов с 23.8 до 34.0 тыс./г а.с.п. (на 42.8%) по сравнению с внесением одних NPK-удобрений. Однако в 3‑летнем звене севооборота в сравнении с минеральным фоном он сдерживал развитие целлюлозоразлагающих бактерий, о чем свидетельствовало снижение их численности в среднем с 32.0 до 26.6 тыс./г а.с.п. (на 16.9%). В результате внесения минеральных удобрений (NPK), соломы и бесподстилочного навоза под первую культуру количество бактерий, определяемых на МПА, увеличилось под 2-й культурой на 46.0% и уменьшилось под 3-й культурой на 65.0%. Во всех остальных группах микроорганизмов происходило увеличение их численности на 2-й и 3-й годы под культурами звена севооборота: актиномицетов соответственно в 8.3 и 8.9, грибов – в 5.8 и 8.1 и целлюлозоразлагающих бактерий – в 4.4 и 11.8 раза.

Солома и послеуборочные остатки злаковых культур являются энергетическим материалом для микроорганизмов. Об этом свидетельствуют данные, полученные в 2004–2006 гг. в звене севооборота клевер 1-го г.п. клевер 2-го г.п.–озимая рожь (севообороты С.1 и С.2) и в звене севооборота озимая рожь–ячмень–яровая пшеница + клевер (севообороты С.3 и С.4) по разложению хлопчатобумажной ткани (табл. 3). Внесение соломы озимой ржи на фоне без навоза способствовало повышению биологической активности почвы в звене севооборота. Разложение ткани в варианте с соломой шло лучше, чем без ее внесения в севооборотах С.1 с чистым, С.2 – занятым парами и в севообороте С.3 с сидеральным викоовсяным паром. В севообороте С.4 наблюдали влияние сидерата – клевера, который увеличил степень разложения ткани в вариантах без удобрений и с внесением соломы в сочетании с минеральными удобрениями. На унавоженном фоне внесение соломы снизило биологическую активность почвы в севооборотах по сравнению с вариантом без удобрений (контролем). Навоз, являясь наиболее благоприятным субстратом для расселения микрофлоры, в первоочередном порядке подвергался минерализации микроорганизмами, а солома разлагалась в течение более длительного периода времени – на 2-й–3-й годы после ее внесения. В первый год внесения разложение соломы только начиналось. Что касается сидерата, (табл. 3), в севообороте С.4 с внесением зеленой массы клевера разложение ткани на фоне навоза ослабло (14.5 в среднем против 16.3% на фоне без навоза).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, применение соломы в качестве органического удобрения способствовало повышению биологической активности дерново-подзолистой суглинистой почвы. Увеличивалась численность почвенных микроорганизмов, в результате чего происходила активная минерализация органического вещества. Установлена смена видового состава микроорганизмов в звене севооборота горох–озимая рожь–ячмень по годам. Интенсивность их развития находилась в зависимости от фона с удобрениями. При осенней заделке соломы на фоне внесения минеральных удобрений (NPK) уже в почве под первой культурой целлюлозных бактерий было больше на 36.8% (5.2 против 3.8 тыс./г а.с.п.), чем в контроле без соломы. Тогда как бактерии, определяемые на МПА, актиномицеты и грибы не реагировали на внесение соломы. На фоне внесения жидкого навоза + NPK в варианте с соломой количество целлюлозных бактерий уменьшилось (на 10%), но отмечено увеличение численности бактерий на МПА (на 18.6%) и особенно актиномицетов (на 75%), без изменения осталась численность грибов. На 2-й год при первом последействии соломы на фонах NPK и жидкого навоза + NPK увеличилась численность всех определяемых групп микроорганизмов по сравнению с предыдущим годом. Однако количество актиномицетов при первом последействии соломы было значительно меньше, чем в варианте без ее внесения, снизилось также количество бактерий, определяемых на МПА. На 3-й год на обоих фонах увеличилась численность грибов и целлюлозоразлагающих бактерий, отмечено существенное снижение количества бактерий, выращенных на МПА, по сравнению с предыдущим годом. Количество актиномицетов осталось на прежнем уровне. Использование бесподстилочного навоза в качестве фона совместно с соломой в звене севооборота сдерживало развитие целлюлозоразлагающих бактерий в сравнении с минеральным фоном (NPK) в среднем на 16.9% (снижение с 32.0 до 26.6 тыс./г а.с.п.), что свидетельствовало о минерализации соломы по схеме медленного разложения с прохождением стадии гумификации. Метод аппликаций также показал, что солома повышала биологическую активность почвы. Разложение хлопчатобумажной ткани в варианте с соломой шло лучше, чем без ее внесения в севооборотах с чистым, занятым и сидеральными (викоовсяным и клеверным) парами. На фоне твердого навоза разложение соломы замедлилось, поскольку навоз подвергался быстрой минерализации, а солома – в течение более длительного времени.

Таким образом, на дерново-подзолистых суглинистых почвах республики использование в севооборотах биоресурсов (соломы, сидератов, твердого, жидкого навоза) является важнейшим условием повышения плодородия почвы и продуктивности культур. Размещать их рекомендуется в севооборотах с чередованием культур с одним или двумя годами пользования клевера. С одним годом: 1 – пар сидеральный (сидерат, навоз твердый или жидкий), 2 – озимая рожь (содома), 3 – ячмень, 4 – яровая пшеница + клевер, 5 – клевер 1-го г.п., 6 – озимая рожь (содома), 7 – ячмень, 8 – овес. С двумя годами: 1 – пар сидеральный (сидерат, навоз твердый или жидкий), 2 – озимая рожь (содома), 3 – ячмень + клевер, 4 – клевер 1-го г.п., 5 – клевер 2-го г.п., 6 – озимая рожь (солома), 7 – ячмень, 8 – овес.

Использование биоресурсов в севооборотах с сидеральными парами имеет ряд преимуществ перед традиционными севооборотами с занятым и черным парами. Прежде всего, почва обогащается органическим веществом. Внесение соломы замедляет процесс минерализации органического вещества, повышает его запасы. Навоз в сочетании с сидератами и соломой обогащает почву доступными питательными веществами. Использование биоресурсов в сочетании с невысокими дозами минеральных удобрений порядка N30–60P40K40 обеспечивает ресурсосбережение. Теоретической основой использования биоресурсов в севооборотах с сидеральными парами являются противоположно направленные закономерности, установленные исследованиями. С одной стороны, почва обогащается органическим веществом, в результате чего повышается биологическая активность в ней, усиливается минерализация органического вещества. С другой стороны, солома и пожнивные растительные остатки замедляют процесс минерализации органического вещества и обеспечивают воспроизводство плодородия почвы. Поэтому в составе комплекса биоресурсов необходимо наличие соломы как средства, замедляющего процесс минерализации органического вещества почв.