Агрохимия, 2019, № 2, стр. 13-20

ВВЕДЕНИЕ

Одним из наиболее существенных и регулируемых факторов, оказывающих влияние на состояние агроценозов и их гомеостаз, устойчивость их функционирования, является питательный режим почв.

В автоморфных почвах Западной Сибири азот нитратов – основной источник доступного для растений азота [1]. Количество нитратного азота в черноземных почвах определяется гидротермическими условиями вегетационного периода и агротехническими приемами (предшествующей культурой севооборота, интенсивностью и глубиной обработки, внесением удобрений и т.п.). Максимальное накопление нитратов происходит в паровом поле [1, 2].

Особенностью западно-сибирских черноземов является значительное содержание в них органических и органо-минеральных фосфатов (70–72% от общего запаса) и низкое содержание растворимых, доступных растениям форм [3]. Фосфор органических соединений доступен растениям только после его минерализации. Поэтому необходимо целенаправленное регулирование фосфатного режима почв при помощи агротехнических приемов для повышения подвижности и усвояемости природных соединений фосфора, внесение фосфорсодержащих минеральных и органических удобрений.

Запасы валового калия в зональных почвах Западной Сибири велики, поэтому при изучении основных элементов минерального питания в агроэкосистемах ему уделяли меньше внимания. Однако недооценка роли калия в эффективном функционировании агроэкосистем может явиться причиной деградации почвенного плодородия и существенного снижения интенсивности продукционного процесса растений [4].

В настоящее время известно достаточно большое количество приемов оптимизации минерального питания растений. В результате исследований [5] установлено, что применение бактериальных удобрений оказывает положительное влияние на питательный режим растений. Обработка семян биопрепаратами усиливает поступление биологического азота, увеличивает продуктивность растений. Применение биопрепаратов комплексного действия улучшает фосфорное питание растений, повышает их устойчивость к неблагоприятным условиям произрастания. Действие биопрепаратов наиболее эффективно на фоне невысоких доз минеральных удобрений [5, 6]. В этой связи цель работы – изучение влияния бактеризации семян ячменя на фоне многолетнего применения минеральных удобрений и соломы на урожайность культуры и режим подвижных элементов питания в черноземе выщелоченном.

Разработка системы комплексного применения удобрительных средств для зерновых культур, включающей рациональные дозы минеральных удобрений, соломы как органического удобрения и биопрепараты ассоциативной азотфиксации, является актуальным, экономически и экологически значимым агроприемом, способствующим повышению продуктивности пашни, сохранению ее плодородия.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проводили в стационарном полевом опыте (заложен в 1987 г.) с многолетним применением удобрений на основе 5-польного зернопарового севооборота со следующим чередованием культур: чистый пар–пшеница–соя–пшеница–ячмень; изучали свойства почвы под заключительной культурой севооборота – ячменем в 2012–2014 гг.

Почва опытного участка – чернозем выщелоченный среднемощный среднегумусовый тяжелосуглинистый с содержанием гумуса 6.68–6.72% (по Тюрину), подвижного фосфора – от 100 до 200, подвижного калия – 350–420 мг/кг почвы (по Чирикову).

Изучали следующие факторы по схеме 2 × 2 × 2. Фактор А – внесение минеральных удобрений, кг д.в./га севооборотной площади, уровни: 1 – без удобрений (контроль), 2 – внесение азотно-фосфорных удобрений в дозе N18P42. Фактор В – внесение соломы, уровни: 1 – без соломы, 2 – внесение соломы после уборки зерновых культур в количестве, соответствующем урожаю. Фактор С – инокуляция семян бактериальным удобрением (препарат ризоагрин), уровни: 1 – без инокуляции, 2 – инокуляция семян ячменя. Площадь элементарной делянки – 80 м², учетная – 18 м². Площадь делянки с инокулированными растениями – 40 м². Размещение вариантов систематическое, повторность четырехкратная.

Минеральные удобрения N_aa вносили под ячмень вразброс под предпосевную культивацию, P_cд – в паровое поле локально сеялкой СЗС-2,1 на глубину 8–10 см почвы. Солому предшествующей культуры ячменя или пшеницы (содержание азота, фосфора и калия в среднем в севообороте – 0.47, 0.11 и 0.98% соответственно) измельчали при уборке и оставляли в поле в количестве, соответствующем урожаю. Для предпосевной обработки семян использовали биопрепарат ризоагрин (производство ВНИИСХМ, на основе штамма Agrobacterium radiobacter 204). Инокуляцию проводили в день посева рекомендованной дозой для биоудобрения из расчета на гектарную норму посева семян культуры. Высевали районированный сорт ячменя Саша, селекция СибНИИСХ.

Погодные условия в годы исследования различались по тепло- и влагообеспеченности. Вегетационный период 2012 г. был засушливым, количество осадков составило 72.6% от нормы, ГТК за май–август = 0.69 при среднем многолетнем 1.1. В 2013 г., за исключением засушливого июня, метеоусловия вегетационного периода были благоприятными для зерновых культур. Количество осадков за май–август составило 218 мм (111% от нормы) при ГТК = 1.16. В 2014 г. засушливыми были май и июнь, за период вегетации выпало 135 мм осадков (68% от нормы), ГТК = 0.68.

Для решения поставленной задачи отбирали почвенные пробы с целью определения содержания основных элементов питания. Нитратный азот (N-NO₃) определяли с дисульфофеноловой кислотой по Грандваль–Ляжу; подвижный фосфор (Р₂О₅) и подвижный калий (К₂О) из одной вытяжки – по Чирикову, дополнительно в течение вегетации ячменя растворимые фосфаты – по Францесону. Нитрификационную способность почвы определяли по Кравкову с инкубацией 21 сут [7]. Полученные данные обработаны статистическими методами дисперсионного и корреляционного анализов [8].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Ячмень – заключительная культура севооборота, поэтому перед его посевом содержание нитратного азота в исследованных вариантах было низким вследствие выноса предыдущими культурами. Установлено, что перед посевом ячменя содержание нитратного азота в слое 0–40 см почвы составляло 4.3–7.5 мг/кг, в слое 0–100 см – 2.3‒5.5 мг/кг (табл. 1).

Влияние соломы проявилось при совместном применении с минеральными удобрениями. В 2013 г. увеличение содержания нитратного азота в варианте N18P42 + солома (слой 0–40 см почвы) составило 98% в сравнении с контролем. Содержание нитратного азота уменьшилось к концу вегетации в связи с потреблением его культурой ячменя и другими статьями расхода (потреблением сорной растительностью, денитрификацией, закреплением почвенными микроорганизмами). В удобренном варианте количество нитратного азота было больше в сравнении с контролем на 149%. Применение соломы в комплексе с минеральными удобрениями (вариант N18P42 + солома), оказало положительное влияние на содержание N-NO₃: увеличение составило 134% по отношению к контролю. Инокуляция семян способствовала усилению ассоциативной азотфиксации в ризосфере ячменя (рис. 1). Установлена тесная корреляционная зависимость между содержанием нитратного азота в почве и урожайностью зерна ячменя (r = 0.92 ± 0.16).

Рис. 1.

Содержание нитратного азота (слой 0–20 см почвы) в зависимости от применения удобрений и инокуляции семян, n = 9, среднее за 2012–2014 гг.

Для характеристики мобилизационных процессов в почве недостаточно определять содержание нитратного азота, необходимо учитывать потенциальную способность почвы к нитратонакоплению. Нитрификационная способность почвы в оптимальных условиях компостирования зависит в основном от количества легкомобилизуемых азотсодержащих соединений [9, 10]. На неудобренном фоне нитрификационная способность почвы была наибольшей (25.1 мг/кг) в варианте с инокуляцией за счет биологического азота (рис. 2). На удобренном фоне потенциальная способность почвы к нитратонакоплению при инокуляции семян ячменя увеличилась на 23% к контролю. Наибольшее положительное влияние на величину нитрификационной способности почвы оказало комплексное применение минеральных удобрений и соломы (вариант N18P42 + солома): увеличение составило 46% относительно контроля. Установлено наличие тесной корреляционной связи между потенциальным количеством нитратного азота в почве и урожайностью культуры (r = 0.8 ± 0.24).

Рис. 2.

Нитрификационная способность (слой 0–20 см почвы) в зависимости от применения удобрений и инокуляции семян, n = 9, среднее за 2012–2014 гг.

Обеспеченность растворимым фосфором растений ячменя перед посевом и после уборки в варианте без удобрений была высокой (156–202 мг Р₂О₅/кг почвы) во все годы исследования. В вариантах с многолетним применением фосфорных удобрений отмечено увеличение содержания Р₂О₅ на 25–30% (весной) и на 39–43% (осенью) в сравнении с контролем. Внесение соломы не оказало воздействия на содержание соединений фосфора в почве. Совместное применение минеральных удобрений и соломы увеличило количество подвижного фосфора на 21–42% (весной) и на 32–60% (осенью) (табл. 2). Под посевом ячменя в течение вегетации в разные фазы развития растений определяли содержание растворимых фосфатов методом Францесона, оно находилось на низком и среднем уровнях. Многолетнее применение азотно-фосфорных удобрений (3 ротации) увеличило содержание растворимого P₂O₅ в начальный период роста ячменя в 5 раз. Внесение соломы не оказало существенного воздействия на количество растворимого фосфора. Значительных изменений в динамике содержания этой фракции фосфора в течение вегетационных периодов лет наблюдений не происходило (табл. 3).

Известно, что предпосевная обработка семян биопрепаратами улучшает фосфорное питание растений [11]. Азотфиксирующие бактерии стимулируют развитие микроорганизмов, участвующих в превращении минеральных соединений фосфора, а культура Аgrobacterium radiobacter активно дефосфорилирует фитин, тем самым увеличивая содержание подвижного фосфора в почве на 54% [12, 13]. Показано, что инокуляция семян ячменя препаратом ризоагрин способствовала увеличению количества подвижного фосфора в почве под культурой в течение вегетации на 27–32% по сравнению с контролем. Статистическая обработка данных показала наличие тесной корреляционной зависимости между содержанием подвижного фосфора в почве и урожайностью зерна ячменя (r = 0.96 ± 0.11).

Калий принимает значительное участие в минеральном питании растений [5]. Почвы Западной Сибири богаты калием, его валовое содержание изменяется от 1.2 до 2.5% [14]. Содержание подвижного калия в почве опытного участка было высоким – >180 мг/кг. В работе [5] показали, что эффект от внесения калийсодержащих соединений (соломы) может проявиться при низком исходном содержании калия в почве. В контрольном варианте (в среднем за 3 года) содержание калия было очень высоким – 338–386 мг/кг (по Чирикову) (табл. 4).

Урожайность культур является интегрированным показателем эффективности применения того или иного агротехнического приема. Известно, что в условиях южной лесостепи Омского Прииртышья применение азотно-фосфорных удобрений увеличивает урожайность сельскохозяйственных культур на 21–49% [15–17]. Применение биопрепаратов совместно с удобрениями способствовало дополнительному накоплению в урожае яровой пшеницы основных элементов питания, увеличивало окупаемость внесения фосфорно-калийных удобрений прибавкой урожайности в 2.6–8.2 раза, азотных – в 1.4–1.6 раза [3, 6, 18].

Урожайность ячменя в годы исследования определялась погодными условиями, складывающимися в течение вегетационного периода. В 2012 г. в условиях засушливого вегетационного периода наибольшая урожайность ячменя отмечена в вариантах с применением удобрений N18P42, дополнительно получено 0.35–0.56 т/га зерна в сравнении с контролем. При внесении соломы, а также в варианте с инокуляцией семян прибавка урожайности ячменя 0.11–0.12 т/га была недостоверной, при совместном применении соломы и инокуляции семян ячменя ризоагрином увеличение зерновой продуктивности составило 0.17 т/га, а на удобренном фоне – 0.56 т/га. Следует отметить, что в засушливый год эффект от применения инокуляции на удобренном фоне был несколько больше, чем от соломы (известно, что положительное влияние бактеризации проявляется сильнее в стрессовых условиях) [5, 6].

В 2013 г. при высокой засоренности посевов была получена наименьшая урожайность зерна ячменя в сравнении с предыдущим и последующим годами исследования. Достоверное положительное влияние на продуктивность ячменя оказали средства химизации. Внесение минеральных удобрений обеспечило прибавку урожайности ячменя 0.49–0.73 т зерна/га. Установлено, что доля фактора удобрений в формировании урожайности ячменя составила 81%. Использование соломы как органического удобрения увеличило прибавку урожайности ячменя до 0.54 т/га, а на минеральном фоне – на 0.73 т зерна/га в сравнении с контролем. Совместное применение минеральных удобрений, соломы и инокуляции семян обеспечило прибавку урожайности зерна в размере 0.44 т/га к контролю. Использование инокуляции семян позволило получить достоверную прибавку урожайности ячменя 0.20 –0.23 т зерна/га.

В 2014 г. была получена наибольшая урожайность зерна ячменя. Средняя урожайность в вариантах фактора удобрения составила 3.44 т зерна/га (в контроле – 2.43 т/га) (доля фактора минеральные удобрения составила 93%). Прибавка зерна ячменя в варианте с инокуляцией семян на удобренном фоне составила 1.24 т/га, или 54% к контролю. Максимальную прибавку зерна (1.33 т/га) получили в варианте N18P42 совместно с применением соломы и инокуляцией семян, что было на 58% больше, чем в контрольном варианте.

В среднем за годы исследования урожайность ячменя изменялась в пределах от 1.85 до 2.63 т/га в зависимости от вариантов опыта. Наибольшую прибавку 0.78 т зерна/га получили в варианте N18P42 + солома + инокуляция. В варианте совместного применения минеральных удобрений и бактеризации семян (N18P42 + инокуляция), прибавка составила 0.74 т/га (40%) в сравнении с контролем (табл. 5).

Таким образом, бактеризация семян ячменя ризоагрином в сочетании с применением азотно-фосфорных удобрений и внесением соломы является высокоэффективным приемом улучшения питания растений азотом и фосфором, повышения нитрификационной способности почвы и служит надежным фактором увеличения продуктивности зерновых культур.

ВЫВОДЫ

1. Изучение питательного режима показало существенное влияние удобрений на содержание нитратного азота и подвижного фосфора в черноземе выщелоченном. Содержание нитратного азота при использовании удобрений увеличилось более чем в 2 раза в сравнении с контролем (с 6.1 в контроле до 15.2 мг/кг на удобренном фоне). При внесении минеральных удобрений вместе с соломой, а также в сочетании с инокуляцией семян ячменя количество нитратного азота в пахотном слое возросло в 2 раза по отношению к контролю, составив 14.3 и 16.7 мг/кг соответственно. Применение минеральных удобрений увеличило нитрификационную способность почвы на 16%, соломы на фоне минеральных удобрений – на 46%, инокуляции в сочетании с минеральными удобрениями – на 23% к контролю.

2. Многолетнее применение фосфорных удобрений повысило содержание растворимого Р₂О₅ в почве в 4–5 раз по отношению к контролю. Бактеризация семян способствовала увеличению содержания подвижного фосфора в почве на 27–32% в сравнении с контролем.

3. Инокуляция семян ячменя ризоагрином способствовала созданию микробно-растительной ассоциации диазотрофов в ризосфере культуры, что повысило урожайность на 0.19 т зерна/га, а в сочетании с органо-минеральной системой удобрения – на 0.78 т зерна/га в сравнении с контролем.