Агрохимия, 2019, № 10, стр. 64-71

ВВЕДЕНИЕ

За последние годы в различных регионах России (Центральное Нечерноземье, Западная Сибирь) приобретает большую популярность экономически и экологически выгодная технология ресурсосберегающего земледелия – прямого посева [1–4]. Технология прямого посева популярна, и ее активно применяют в странах СНГ: на Украине (от 250 тыс. га до 1 млн га) и Казахстане (≈1.3 млн га) [5, 6]. Однако на юге России в Ростовской и Волгоградской обл. и в Ставропольском, Краснодарском краях ресурсосберегающие приемы обработки почвы пока не применяют в должной степени [7–13]. Технологии обработки почв Ростовской обл. включают отвальную вспашку и технологию прямого посева. Если при традиционной обработке почвы происходит потеря влаги, то при минимальной обработке запас влаги в верхнем слое почвы сохраняется. Подтверждено, что пожнивные остатки на поверхности почвы оказывают благоприятное влияние на содержание органического вещества в агроценозах зерновых культур [1, 14, 15]. Кроме этого, прямой посев благоприятно влияет на физические свойства почв и стимулирует активность почвенных ферментов [2, 9–11, 17, 18]. При нулевой обработке почвы происходит сохранение влажности почвы мульчирующего слоя пожнивных остатков, увеличение супрессивности и снижение эродированости почв [3, 5, 19].

При традиционной обработке почвы часто при несоблюдении баланса элементов питания возникает нарушение равновесия между количествами внесенных элементов питания с удобрениями, вынесенных урожаем и элементов питания в почве [20]. При отрицательном балансе элементов питания в агроценозах происходит ухудшение физических, агрофизических, физико-химических и биологических свойств почв. При нарушении баланса калия происходит интенсивная мобилизация калия не только из необменных его форм, но и алюмосиликатов, что снижает буферную способность почвы и разрушает почвенный поглощающий комплекс.

Технология прямого посева подразумевает минимизацию механической обработки почвы с аналогичной схемой внесения удобрений, как и при традиционной обработке. Однако длительное воздействие прямого посева на содержание элементов питания озимой пшеницы и других зерновых в литературе изучено в недостаточной степени.

Цель работы – сравнительная оценка влияния прямого посева на содержание элементов питания в черноземах Ростовской обл. под озимой пшеницей. В задачи исследования входило: оценка динамики содержания элементов питания при технологии прямого посева, сравнение разных технологий обработки почв, определение влияния прямого посева на распределение элементов питания в слоях почвы.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования были почвы агроценозов Октябрьского р-на Ростовской обл. на территории хозяйства “ИП Мокриков В.И.” (ранее – ООО “Донская Нива”). Территория Октябрьского р-на расположена в жарком семиаридном климате со значительными тепловыми ресурсами. Лето жаркое (температура июля 24.3°С), зима умеренно холодная (температура января 2.5–2.7°С) [21]. По количеству осадков 2016 г. относят к очень влажному теплому сезону. Годовое количество осадков в 2016 г. составило 704 мм, в том числе выпадавших за период вегетации (при температуре >10°С) – 399 мм при климатической норме 424 мм [22]. Превышение нормы осадков в 2016 г. составило 66%. Суммарное годовое количество осадков в 2017 г. составило 569 мм, в том числе выпадавших за период вегетации – 294 мм.

Почвозащитную технологию прямого посева применяют в агроценозах “ИП Мокриков В.И.” на протяжении 9-ти последних лет. В хозяйстве возделывали озимую пшеницу как ведущую зерновую культуру в Ростовской обл. Средняя урожайность озимой пшеницы сорта Зустрич в хозяйстве в 2017 г. была равна 57 ц/га. Это значительно больше, чем на соседних полях с отвальной вспашкой и в среднем в Ростовской обл., где урожайность озимой пшеницы составила 40 ц/га [23].

Поля с традиционной обработкой расположены на расстоянии 50–100 м от полей с прямым посевом. При прямом посеве использовали трактор Buhler Versatile 2375 + Great Plains NTA 3510 (10.7 м) и Case Magnum 315 + Great Plains NTA 3510 (10.7 м), все культуры высевали с междурядьем 19.1 см. Расход дизельного топлива на основную обработку почвы при прямом посеве составлял 26 л/га, что в 3 раза меньше, чем при традиционной обработке (74.1 л/га).

Прямой посев на полях агроценозов представлен в 8-польном севообороте: озимые зерновые (озимая пшеница + озимый ячмень) – 4/5 подсолнечник + многолетние бобовые травы + 1/5 сафлор – озимые зерновые (озимая пшеница + + озимый ячмень) – 4/5 кукуруза на зерно + 1/5 крестоцветные (рыжик, рапс, горчица) – озимая пшеница – 2/3 зерновые бобовые (нут, чечевица, горох) + 1/3 крестоцветные (рыжик, рапс, горчица) – озимые зерновые (озимая пшеница + озимый ячмень) – 1/3 лен + 1/2 кориандр + 1/6 гречиха.

Бóльшую часть посевных площадей с прямым посевом занимали зерновые культуры (озимая пшеница и ячмень) – 49%, кукуруза (на зерно) – 10%, подсолнечник и многолетние бобовые травы (донник, люцерна, эспарцет, вика) – 10%, зерновые бобовые (нут, чечевица, горох) – 8%, озимые крестоцветные (рыжик, рапс, горчица) – 6.5%, эфирномасличные (кориандр) – 6%, масличные (лен) – 4%, сафлор – 2.5%, гречиха – 2.0%, многолетние травы – 2.0%.

Почвы Октябрьского р-на – черноземы обыкновенные среднемощные (североприазовские) разной степени выщелоченности от карбонатов, мощности и гумусированности. Гумусовый профиль (А + В) имеет мощность от 50 до 90 см. Содержание гумуса в пахотном слое (0–10 см) составляет 3.5–5.3%, рН$_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$ 7.0–8.2. Черноземы характеризуются достаточной водо- и воздухопроницаемостью. Порозность верхней части профиля составляет 50–54%, нижней – 43–49%. Черноземы характеризуются высокой емкостью поглощения – 40 мг-экв/100 г почвы [24, 25].

В настоящей работе оценивали изменение содержания элементов питания в агроценозах озимой пшеницы. При прямом посеве озимой пшеницы в почву вносили АФ в дозе 100 кг/га, в фазе кущения (апрель–май) вносили N50, в фазе начала выхода в трубку – N40. В течение вегетационного сезона при выращивании озимой пшеницы с апреля вносили гербициды, фунгициды и инсектициды: в 3-ю декаду – паллас 0.4 л/га + дианат 0.2 л/га, золтан 0.5 л/га, фатрин 0.12 л/га, микровит 0.3 л/га; в фазе начала колошения зерна (начало мая) – фалькон 0.5 л/га, росток 1 л/га, фатрин 0.12 л/га; в фазе молочной спелости зерна (начало июня) – димет 1 л/га, росток 1 л/га.

В 2016 г. были проведены предварительные исследования содержания элементов питания озимой пшеницы в июне, июле и сентябре в слое 0–10 см (участки №№ 5, 6, 7 и 8). В 2017 г. отбор проб почвы проводили в апреле, мае, июле, сентябре и октябре (участки №№ 1, 2, 4 и 9). На каждом участке образцы почв отбирали в трехкратной повторности из 3-х слоев: 0–10, 25–35, 55–65 см.

Для оценки содержания элементов питания озимой пшеницы определяли содержание подвижного фосфора и обменного калия по Мачигину, нитратного азота – дисульфофеноловым методом по Грандваль–Ляжу (ГОСТ 26951-86) и обменного аммония с использованием реактива Несслера [26]. Для оценки распределения элементов питания определяли частное между содержанием каждого элемента питания в слое 0–10 см к слою 25–35 см [27]. Оценка распределения элементов питания именно на глубине до 35 см обусловлена основным скоплением корневой системы озимой пшеницы.

Статистическая обработка данных выполнена с использованием статистического пакета Statistica 12.0.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В 2016 г. наблюдали снижение содержания элементов питания (кроме подвижного калия) в сезонной динамике в слое 0–10 см (рис. 1). Содержание минерального азота значительно снижалось в течение вегетационного сезона (на 30–64%). Вероятно, такой процесс был обусловлен мобилизацией азота к концу вегетации озимой пшеницы. Кроме этого, распределение подвижного фосфора, обменного калия, нитратного и аммонийного азота оценивали за период вегетации (с июня по сентябрь).

Рис. 1.

Изменение среднего содержания элементов питания в черноземе обыкновенном при прямом посеве озимой пшеницы в течение вегетационного сезона 2016 г. в слое 0–10 см (n = 4).

По итогам исследования распределения элементов питания в 2016 г., в 2017 г. было оценено изменение содержания элементов питания послойно в течение более продолжительного вегетационного периода (с апреля по октябрь) (табл. 1).

В верхнем слое почвы (0–10 см) содержание фосфора незначительно снизилось в течение сезона: от 4.1 до 5.5 мг P₂O₅/100 г почвы в октябре и мае соответственно. Согласно оценочным шкалам, при прямом посеве наблюдали высокий уровень содержания подвижного фосфора (>6 мг P₂O₅/100 г) в течение вегетационного сезона.

Напротив, содержание обменного калия было повышено в октябре по сравнению с началом вегетации (апрель) на 13%. По содержанию форм азота получены неоднозначные результаты. Нитратный азот изменялся в широком диапазоне от 9.2 до 44.2 мг N-NO₃/кг почвы. Содержание нитратного азота в почвах с прямым посевом оценили в апреле, мае и июле как среднюю (10–20 мг N-NO₃/кг почвы) и высокую (>20 мг N-NO₃/кг почвы) обеспеченность. В течение вегетационного сезона высокую обеспеченность озимой пшеницы азотом наблюдали в июле с понижением до низкой и очень низкой обеспеченности в сентябре и октябре.

Снижение содержания нитратного азота в сентябре и октябре по сравнению с маем составило 52%. Обеспеченность почв аммонийным азотом в полях с прямым посевом была низкой в фазе выхода в трубку (апрель) и очень низкой в фазе колошения в мае и после уборки озимой пшеницы в сентябре и октябре. Максимальное содержание наблюдали в мае – 20.6 мг N-NH₄/кг почвы, минимальное – в сентябре и октябре, оно было меньше на 12.6 и 11.2 мг N-NH₄/кг почвы.

В слое 0–65 см отмечено плавное снижение содержания всех элементов питания в течение вегетационного сезона. По сравнению с традиционной обработкой при прямом посеве в течение сезона содержание фосфора в слое 25–35 см было больше в июле и октябре на 32–47%, в слое 55–65 см – в апреле и октябре на 51 и 20%.

Если для содержания фосфора различия между приемами обработки были незначительными, то для содержания калия и минеральных форм азота показаны существенные отличия. Обеспеченность почвы обменным калием в верхнем слое (0–10 см) слабо зависела от вида обработки и от сезонной динамики в почвах, в слоях 25–35 и 55–65 см показаны различия при разных приемах обработки почвы. В течение вегетационного сезона наблюдали высокий уровень содержания обменного калия (>300 мг K₂О/100 г почвы) в верхнем слое почвы. Только в октябре при прямом посеве показано превышение содержания калия на 145 мг K₂О/100 г почвы, чем при традиционной обработке. При прямом посеве содержание обменного калия в слое 25–35 см было больше на 8.5–112 мг K₂О/100 г, в слое 55–65 см – на 2.3–118 мг K₂О/100 г, чем при традиционной обработке.

В мае распределение обменного аммония в слое 25–35 см было меньше на 10.0–22.1 N-NH₄/кг почвы при прямом посеве, чем при традиционной обработке. Этот период совпадает с фазами активной вегетации и характеризуется наибольшим потреблением азота пшеницей. В сентябре в почвах опытных полей с прямым посевом произошло снижение содержания нитратного азота на 12–36 мг N-NO₃/кг почвы по сравнению с традиционной обработкой. Стоит отметить, что технология прямого посева вызывала снижение обменного аммония с мая по октябрь на 3.2–12.4 мг N-NH₄/кг почвы. Вероятно, это обусловлено тем, что микроорганизмы, разлагающие растительные остатки, используют для своей жизнедеятельности азот из почвы [24, 25]. Микроорганизмы в данном случае являются конкурентами культурных растений за минеральный азот.

При прямом посеве в апреле и июле содержание нитратного азота в верхнем слое почвы было больше на 49 и 61%, чем при традиционной обработке, что объясняется лучшими условиями агрофизического состояния, аэрации и биологической активности почвы. При вспашке в почве существенно увеличивается активность минерализационных процессов, которые способствуют высвобождению элементов питания, в том числе и нитратного азота в почвенный раствор. В слоях 25–35 и 55–65 см на участках с прямым посевом в сентябре наблюдали снижение содержания нитратного азота по сравнению с традиционной обработкой на 74 и 75% соответственно. Разброс величин содержания нитратного и аммонийного азота наиболее тесно связан с периодом отбора проб, атмосферными осадками в регионе.

Для оценки возможной дифференциации бывшего пахотного слоя при прямом посеве было оценено содержание элементов питания озимой пшеницы в слоях 0–10 и 25–35 см (рис. 2). Учитывая, что при прямом посеве отсутствует перемешивание почвы на глубинах >10 см, содержание подвижного фосфора и нитратного азота в поверхностном слое почв было больше на 27 и 17% в апреле и на 32 и 14% в мае, чем при традиционной обработке. В течение остальных месяцев вегетации распределение фосфора было на уровне традиционной обработки.

Рис. 2.

Распределение элементов питания в черноземе обыкновенном при прямом посеве (NT) и традиционной технологии (CТ) в слое 0–35 см в вегетационном сезоне 2017 г.

Послойное распределение подвижного калия, как уже было отмечено выше, слабо зависело от технологии обработки и сезонности. Для минерального азота наблюдали высокую пространственно-временную динамику содержания в верхнем слое почвы. Содержание нитратного азота при прямом посеве показало увеличение расслоения в сентябре по сравнению с традиционной обработкой на 76 и 60% соответственно. Именно в сентябре отмечали наибольшее различие между традиционной обработкой и прямым посевом при анализе содержания минеральных форм азота во всех анализированных слоях. Ослабление процессов нитрификации и аммонификации в слое 0–35 см в сентябре и октябре в почвах с прямым посевом связано с сезонным снижением влажности почвы и температуры [9, 12, 17, 28].

Период максимального среднесуточного потребления азота, фосфора и калия озимой пшеницей совпадает со сроками максимального формирования вегетативной массы [29]. В зерне пшеницы содержится примерно в 4 раза больше азота и фосфора, чем в соломе, калия в соломе – в 2–3 раза больше, чем в зерне. В фазе выхода в трубку использование азота, фосфора и калия пшеницей составляет 42, 33 и 59% от максимального, в фазе колошения – 78, 72 и 94%. При недостатке влаги и питательных элементов в эти периоды может произойти дифференциация тканей листьев и колоса, что приведет к снижению урожайности. Снижение содержания нитратного и аммонийного азота соотносится с потреблением озимой пшеницей азота в период максимального водопотребления – от выхода в трубку до флагового листа и молочной спелости зерна (с апреля по июль). Именно в этот период происходит рост вегетативных органов и их ассимиляционного аппарата. Усвоение азота озимой пшеницей значительно лучше при высокой обеспеченности почв фосфором и калием [26, 30]. Содержание калия в течение вегетационного сезона обусловлено его валовым содержанием в почве и низким потреблением озимой пшеницей. Максимальное потребление калия озимой пшеницей в наибольшей степени происходит от фазы выхода в трубку (апрель–май) и до цветения и молочной спелости зерна (июнь).

Мульчирующий слой из растительных остатков способствует снижению перепадов внутрипочвенных температур. Почва, покрытая толстым слоем растительных остатков, будет прохладнее весной и летом, но теплее осенью и зимой. Поскольку растительные остатки уменьшают испарение и задерживают больше снега, что обеспечивает не только лучшую инсоляцию в холодное время года, но и сохранение влаги в почве [31]. Минеральный азот в почве образуется при минерализации органического вещества. Азот в почве преобразуется до аммонийной и нитратной форм, характеризующих его восстановленную (${\text{NH}}_{4}^{ + }$) и окисленную (${\text{NO}}_{3}^{ - }$) формы [30]. Эти формы минерального азота играют ключевую роль в азотном питании растений. При прямом посеве отмечено снижение содержания нитратного азота по сравнению с традиционной обработкой почвы. Этот процесс отражает бóльшую минерализацию и меньшую иммобилизацию азота, вызванную вспашкой почвы. Ранее в почвах, обрабатываемых по технологии прямого посева, была исследована нитрифицирующая активность черноземов под различными культурами [10]. Максимальную нитрифицирующую активность наблюдали во влажном мае–июне 2016 г. (187 мм), в связи с сезонным понижением влажности в июле (63 мм) и сентябре (51 мм) активность снизилась на 91 и 87% соответственно. Нитратный азот менее летуч, но более подвижен в почвенном слое, чем аммиачный [26]. Это свойство нитрат-ионов обусловливает его подвижность в корнеобитаемом слое и бóльшую доступность его сельскохозяйственным культурам, что важно при обеспечении растений элементами питания в начале вегетации.

Содержание питательных элементов в почве непосредственно связано с потреблением питательных элементов самим растением, микробиотой почвы, физико-химическими свойствами почв, применяемой агротехникой. Система мелкой обработки и рыхление верхнего слоя, вероятно, способствуют созданию благоприятных условий для развития микроорганизмов на поверхности почвы, т.к. в нижних слоях эти процессы проходят менее интенсивно [2, 18, 24]. Урожайность озимой пшеницы теснее связана не с численностью микроорганизмов, а с интенсивностью и направленностью круговорота питательных элементов, осуществляемого микроорганизмами. В работе [32] отмечено, что показатели общей численности бактерий, аммонифицирующих бактерий, водорослей в почвах полей с прямым посевом зачастую превышают эти показатели в почвах полей с традиционной обработкой. Микробная биомасса почв полей с прямым посевом превышает аналогичную в полях с традиционной обработкой в 1.5–2.0 раза, это свидетельствует о более высокой биологической активности этих почв.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Оценка влияния технологии прямого посева на содержание элементов питания в черноземе обыкновенном показала, что технология прямого посева благоприятно влияла на содержание элементов питания в течение вегетационного сезона. Отмечено высокое содержание подвижного фосфора и калия в почве в течение вегетации озимой пшеницы. В течение вегетационного периода высокую обеспеченность почв минеральным азотом наблюдали в июле с понижением до низкой и очень низкой обеспеченности почв в сентябре и октябре. При прямом посеве и традиционной технологии максимальное различие содержания минеральных форм азота в слое 0–35 см наблюдали в сентябре. Технология прямого посева способствовала повышению содержания элементов питания в почве по сравнению с традиционной технологией в апреле (фаза выхода в трубку) и июле (после уборки).