Агрохимия, 2019, № 4, стр. 60-69

ВВЕДЕНИЕ

О положительной роли кремния в системе почва–растение свидетельствуют многочисленные исследования российских и зарубежных ученых, проводимые в течение более 2-х веков [1–6]. Несмотря на это, кремниевые удобрения до настоящего времени остаются нетрадиционными и их в нашей стране не производят, а в их качестве активно предлагают природные кремнийсодержащие породы (диатомиты, трепелы, опоки, цеолиты и др.) с высоким содержанием доступного кремния, эффективность которых значительно изучена и доказана [7–10]. Однако есть и другая группа материалов – кремниевые ростстимулирующие препараты, в которых элемент представлен в различных видах и формах. Особенностью таких препаратов является то, что кремний в них может находиться не только в виде неорганического соединения, который усваивают растения как питательный элемент, но также и органических веществ – силатранов. Последние выступают в роли доноров непосредственно кремния в доступной форме. Кроме того, они являются веществами, проявляющими свой стимулирующий эффект в отношении роста и развития растений на биохимическом и физиологическом уровнях [11–14].

Учитывая, что применение природных высококремнистых пород в достаточно больших дозах в связи с высокими расходами на их транспортировку и внесение не всегда может быть экономически оправдано, несомненный интерес представляет изучение эффективности кремнийсодержащих материалов в системе удобрения сельскохозяйственных культур в значительно меньших количествах, в том числе для предпосевной обработки семян и обработки посевов. Цель работы – исследование влияния кремнийсодержащих материалов на свойства почвы, состояние посевов и урожайность зерновых культур в условиях Среднего Поволжья.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проводили на базе опытных полей Ульяновского ГАУ им. П.А. Столыпина и Нижегородского ГПУ им. К. Минина в 2-х мелкоделяночных и одном микрополевом опытах.

Опыт 1. Схема опыта по изучению эффективности кремнийсодержащих материалов в системе удобрения ячменя включала 10 вариантов: 1 – без удобрений (контроль), 2 – средство защиты растений (СЗР) беномил 500, 3 – диатомит (в рядки), 4 – диатомит (обработка семян – о/с), 5 – препарат мивал-Агро (о/с), 6 – N40P40K40 (фон), 7 – фон + СЗР, 8 – фон + диатомит (в рядки), 9 – фон + диатомит (о/с), 10 – фон + мивал-Агро (о/с). Исследование проводили в 2011–2013 гг.

Опыт 2. Схема опыта с яровой пшеницей предусматривала 12 вариантов: 1 – без удобрений (контроль), 2 – ЭкSi (о/с), 3. ЭкSi (обработка посевов – о/п), 4 – диатомит (о/с), 5 – мивал-Агро (о/с), 6 – мивал–Агро (о/п), 7 – N40P40K40 (фон), 8 – фон + ЭкSi (о/с), 9 – фон + ЭкSi (о/п), 10 – фон + диатомит (о/с), 11 – фон + мивал-Агро (о/с), 12 – фон + мивал–Агро (о/п). Исследование проводили в 2014–2016 гг.

В качестве минерального удобрения использовали НАФК (17:17:17) в дозе N40P40K40. Препарат мивал-Агро применяли для обработки посевного материала и вегетирующих растений. Для изучения защитных свойств кремнийсодержащих материалов в схему полевого опыта с ячменем включили варианты с протравливанием семян средством защиты растений (СЗР) препаратом беномил 500.

В 2014 г. схему опыта с яровой пшеницей дополнили вариантами с обработкой семян и растений препаратом нового поколения на основе активного кремния – ЭкSi-универсал (компания “Эккор”). По своему химическому составу препарат представляет собой раствор концентрированной монокремниевой кислоты.

Во все годы исследования предшественником экспериментальных культур была озимая пшеница, размещаемая после чистого пара. Посевная площадь делянок 40 м² (4 × 10), учетная – 18 м² (1.8 × 10). Повторность опыта четырехкратная, размещение делянок рендомизированное. Уборку урожая проводили с площади всей делянки комбайном “Terrion Sampo SR2010”.

Химические средства защиты растений (кроме вариантов с СЗР) в опыте не применяли. Технология возделывания культур основывалась на общепринятой в регионе.

Почва опытного поля – чернозем выщелоченный среднемощный среднесуглинистый со следующими агрохимическими показателями: содержание гумуса – 4.3–4.5% (средняя обеспеченность), подвижного фосфора и калия (по Чирикову) – 142–180 и 138–141 мг/кг соответственно (высокая обеспеченность), рН_KCl 5.2–5.4, содержание актуального кремния – 35–38 мг/кг (низкий уровень дефицита по Матыченкову).

Опыт 3. В микрополевом опыте изучали влияние кремнийсодержащих препаратов на агрохимические свойства дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы и урожайность озимой пшеницы. Схема опыта включала 5 вариантов: 1 – контроль, 2 – препарат крезацин, 3 – препарат силиплант, 4 – препарат энергия–М, 5 – препарат мивал-Агро.

Почва опытного поля – дерново-подзолистая легкосуглинистая с содержанием гумуса 1.2%, pH_KCl 4.8, содержанием подвижных соединений фосфора и калия – 86 и 110 мг/кг (по Кирсанову, обеспеченность ими почвы средняя), содержание актуального кремния – 16 мг/кг (средний уровень дефицита по Матыченкову). Уборку урожая проводили вручную. Площадь делянок – 1 м², расположение – рендомизированное, повторность четырехкратная. Аналитическая повторность почвенных образцов трехкратная. Исследования проводили в 2014–2015 гг.

Дозы и способы применения препаратов составляли: в опытах 1 и 2 обработка семян диатомитом 30 кг/т семян (для удерживания частиц породы на поверхности семян использовали прилипатель Na-КМЦ), при внесении в рядки при посеве – 40 кг/га; препарат мивал-Агро применяли для обработки посевного материала и вегетирующих растений с расходом 5 г/т и 10 г/га соответственно; предпосевная обработка семян и опрыскивание посевов препаратом ЭкSi проводили с нормой расхода 1 л/т и 3 л/га соответственно. В опыте 3 семена озимой пшеницы обрабатывали препаратом энергия–М с нормой 5 г/т, посевы – 10 г/га; препарат мивал-Агро – 5 г/т и 10 г/га; препарат силиплант – 60 мл/т и 3 л/га; препарат крезацин – 0.5 г/т и 6 г/га соответственно. Обработку каждым препаратом проводили трехкратно: семена путем их замачивания в растворах препаратов, посевы – в фазах кущения и цветения. Крезацин ввели в схему как препарат, не содержащий кремний.

Диатомит – очень легкая тонкозернистая кремнистая порода, в основном образовавшаяся из мелких панцирей диатомовых водорослей с высоким содержанием кремния (до 80% и более SiO₂), в том числе аморфного (>42%). Следует отметить присутствие калия и серы в отдельных месторождениях до 2% и более.

В силу особенностей кристалло-структурного строения и характера пористости диатомит обладает уникальными адсорбционными, каталитическими и обменными свойствами, что предполагает его активное действие на систему почва–растение.

Препарат мивал-Агро – кремнийорганический биостимулятор комплексного действия. Состоит из триэтаноламмониевой соли ортокрезоксиуксусной кислоты (760 г/кг) и хлорметилсилатрана (190 г/кг). Кроме кремнийсодержащего соединения мивал в состав препарата входит аналог фитогормонов из группы ауксинов – крезацин, являющийся фитоадаптогеном и фитоантиоксидантом.

Действие данного препарата направлено на стимулирование синтеза белка и нуклеиновых кислот в клетках растений. Он способствует укреплению защитных свойств растений, повышает выносливость в экстремальных погодных условиях. Применение мивал–Агро активно способствует корнеобразованию, снижению поражаемости растений корневыми гнилями, в том числе инфекционной этиологии.

Препарат энергия-М – кремнеауксиновый регулятор роста растений. В состав препарата входит триэтаноламмониевая соль ортокрезоксиуксусной кислоты, являющаяся синтетическим фитогормоном (биогенным амином) и аналогом содержащихся в растениях фитогормонов, а также 1-хлорметилсилатран (силация) – представитель группы химических веществ силатранов, в которых кремний находится в биологически активной форме.

В отношении культурных растений данный препарат оказывает антиоксидантное действие, направленное на ингибирование перекисного окисления липидов в мембране клетки; адаптогенное действие, направленное на повышение устойчивости сельскохозяйственных культур к экстремальным условиям в течение вегетации (засуха, заморозки, резкая смена погодных условий, грибные и вирусные заболевания и т.п.).

Препарат силиплант – кремнийсодержащее жидкое удобрение. В состав препарата входят кремний и калий (13–21 мг/л), микроэлементы в легкодоступной для растений хелатной форме (г/л): Fe – 0.44–0.54, Mg – 0.12–0.13, Сu – 0.09–0.27, Zn – 0.74–0.87, Mn – 0.32–0.37, Mo – 0.06–0.074, Co – 0.020–0.024, В – 0.094–0.112. Кремний, представленный ионной формой, в комплексе с микроэлементами, входящими в состав препарата, повышает морозо- и засухоустойчивость, активность фотосинтеза, способствует усиленному росту корневой системы и листового аппарата. Принимает активное участие в нуклеиновом, белковом и углеводном обменах, в том числе транспорте белков и углеводов.

Препарат крезацин (три(2-гидроксиэтил) аммоний о-толилоксиацетат) – регулятор роста, в физиологическом смысле является адаптогеном широкого спектра действия растений и животных. Повышает устойчивость организма к длительному воздействию неблагоприятных факторов, в том числе к болезням, способствует усилению биосинтеза белков и нуклеиновых кислот и т.п.

Препарат ЭкSi-универсал (“Эккор”) – кремниевый препарат нового поколения на основе активного кремния. По своему химическому составу представляет собой раствор концентрированной монокремниевой кислоты. Помимо соединений кремния препарат содержит калий, натрий и гуматы. ЭкSi способствует повышению устойчивости к неблагоприятным условиям и различным стрессам биологического и абиотического характера.

Организацию полевых опытов, проведение наблюдений и лабораторных анализов осуществляли по общепринятым методикам и ГОСТам. Все анализы проводили в аккредитованной агрохимической лаборатории “САС ”Ульяновская” (№ RA.RU.510251) и испытательной лаборатории “Ульяновская ГСХА” (№ РОСС RU.0001.513748).

Результаты исследования подвергали статистической обработке следующими методами: дисперсионный анализ по двухфакторной схеме – 2 градации фактора А (без удобрений и фон NPK) и 5 (опыт 1), 6 (опыт 2) градаций фактора Б (кремнийсодержащие материалы), в опыте 3 – по однофакторной схеме и корреляционно-регрессионный анализ с использованием программного обеспечения MS Excel 2010, Statistica 6.1.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Биологическая активность почвы. Биологическое состояние почв является одним из наиболее чувствительных и динамичных критериев оценки стабильности функционирования биоценозов в условиях антропогенного воздействия.

Для оценки микробиологического состояния почвы был использован широко применяемый весовой метод аппликаций с неотбеленным льняным полотном, который позволил наблюдать за функционированием живого компонента почвы в пространстве и во времени непосредственно в полевых условиях [15, 16].

Применение диатомита, кремнийсодержащего препарата мивал-Агро, СЗР и минеральных удобрений оказало существенное влияние на активность целюлозоразлагающей части почвенного микробного сообщества под посевами ярового ячменя и яровой пшеницы (рис. 1).

Рис. 1.

Интенсивность разложения льняного полотна в пахотном слое чернозема выщелоченного под посевами: (а) – ярового ячменя (2012–2013 гг.), (б) – яровой пшеницы (2014–2015 гг.):  о/с – обработка семян, о/п – обработка посева.

Несмотря на разные сложившиеся погодные условия, целюлозоразлагающая активность почвы под посевами обеих культур находилась в среднем на уровне 20–22%. Использование кремнийсодержащих материалов повысило процессы деструкции льняного полотна на 13–16% при возделывании ярового ячменя и на 10–15% – яровой пшеницы. На удобренном фоне сохранилась тенденция их влияния на активность почвенных целлюлозоразлагающих микроорганизмов, усиливая ее: на фоне NPK она повышалась до 42–45% (под ячменем) и 37–41% (под яровой пшеницей). При этом в технологии возделывания ячменя более эффективной была предпосевная обработка семян препаратом мивал-Агро, яровой пшеницы – препаратами ЭкSi и мивал-Агро. Влияние последних на биологическую активность чернозема типичного было равнозначным. Кремниевые соединения, попадая в почву, способствуют активизации деятельности почвенных микроорганизмов и развитию их биомассы, принимающих участие в минерализации целлюлозы и трансформации промежуточных продуктов разложения клетчатки [17].

Положительное влияние кремнийсодержащих материалов на активность целюлозоразлагающей части микрофлоры чернозема выщелоченного создало предпосылки для формирования благоприятных условий питания культур, что в дальнейшем способствовало повышению их продуктивности и улучшению качества продукции.

Агрохимические показатели. В течение вегетационного периода всех годов исследования под посевами культур определяли агрохимические показатели почвы (содержание гумуса, подвижных соединений фосфора и калия, гидролитическую и обменную кислотность, содержание актуального и потенциального кремния). Отбор почвенных образцов осуществлялся в 3 срока (табл. 1).

Питательный режим почвы в значительной степени определялся биологической активностью почвы. На рис. 2а отображена зависимость между содержанием минерального азота и активностью целлюлозолитической части почвенного микробиоценоза.

Рис. 2.

Зависимость: (а) – между целлюлозоразлагающей активностью почвы (х) и содержанием минерального азота в почве (у) (2012–2013 гг.), (б) – пораженностью посевов корневыми гнилями (х) и урожайностью ячменя (у).

Аналогичную закономерность наблюдали при внесении кремнийсодержащих материалов в дерново-подзолистую почву (табл. 2). При анализе данных показано, что внесение в почву с семенами кремнийсодержащих препаратов приводило к изменениям в той или иной степени всех агрохимических показателей, тогда как при использовании некремниевого препарата крезацин достоверных различий (судя по величине НСР₀₅) между данными вариантами и контролем не имелось. Последнее дает возможность предположить, что изменения в агрохимическом состоянии почвы были обусловлены прежде всего присутствием кремния в соответствующих препаратах в органической форме (за исключением препарата силиплант). При этом содержание актуального кремния в почве под озимой пшеницей увеличилось в 1.6–2.3 раза. Также закономерно снижалось количество потенциального кремния, что свидетельствовало о переходе его в более доступную для растений форму.

Однако следует отметить, что с семенами в почву поступает очень малое количество кремния и объяснить влияние кремнийсодержащих препаратов на агрохимическое состояние почвы прямым действием кремния вряд ли возможно. По нашему мнению, влияние кремнийсодержащих препаратов как соединений, обладающих широким спектром биохимической и физиологической активности, проявляется опосредованно, через повышение деятельности основных функциональных групп почвенных микроорганизмов (силикатных, фосфатредуцирующих и др.). В этом отношении наиболее эффективным был препарат мивал-Агро. Кремнийсодержащий препарат мивал-Агро способен увеличить общую численность микроорганизмов в ризосфере сельскохозяйственных культур, стимулировать деятельность олиготрофных, протеолитических и амилолитических бактерий, подавлять развитие фитопатогенных актиномицетов и грибов [18].

Что касается других элементов (NH₄ + NO₃, P₂O₅, K₂O), содержание их в отличие от чернозема выщелоченного к концу вегетации культур снижалось, что вполне объяснимо активным потреблением их растениями для формирования урожайности и относительно низкой обеспеченностью дерново-подзолистой почвы элементами питания. Тем не менее, в вариантах с использованием кремнийсодержащих препаратов и контролем различия были практически меньше показателей достоверности, что свидетельствовало о более благоприятных режимах питания растений в данных вариантах. Несомненно, указанные закономерности изменения агрохимических показателей под влиянием кремнийсодержащих препаратов сказались на формировании урожайности культур.

Пораженность посевов ячменя корневыми гнилями. Установлено, что основная роль кремния в жизни растений – защитная [5]. Роль элемента сравнивают с защитными функциями вторичных органических метаболитов [7]. При оптимальном кремниевом питании растения приобретают пассивный иммунитет к паразитам и неблагоприятным условиям среды.

Исследования показали несомненную защитную роль кремнийсодержащих материалов, которая была обусловлена присутствием активного кремния (табл. 3). При этом по влиянию на пораженность растений ячменя грибковыми заболеваниями диатомит при внесении как в чистом виде, так и предпосевной обработке семян в отдельные годы не уступал действию СЗР, более того, превосходил его в 2011 и 2013 гг. Использование кремнийсодержащих препаратов защищало посевы ячменя и на фоне внесения минеральных удобрений. Аналогичная закономерность проявлялась при возделывании яровой пшеницы: пораженность ее посевов данными патогенами в среднем изменялась от 15.3 до 18.1% при отдельном использовании препаратов ЭкSi, мивал-Агро, диатомита и от 13.4 до 15.8% совместно с внесением полного минерального удобрения, тогда как в контроле она составила 19.8%.

Эффективность кремния в борьбе с фитопатогенами обусловлена несколькими причинами. Он повышает окислительно-восстановительный потенциал клеточного сока растений, что снижает возможность поражения растений. Кремний оказывает ингибирующее воздействие на ферменты патогенов, вследствие чего при благоприятных условиях они могут терять функцию распознавания растения-хозяина. Кремнийцеллюлозный слой в эпидермальных тканях служит барьером для инфекций и насекомых-вредителей [19]. В настоящее время для защиты растений сельскохозяйственному производству предлагается ряд кремнийсодержащих соединений.

Урожайность. Урожайность ярового ячменя и яровой пшеницы представлена в табл. 4 и 5. Использование диатомита, препарата мивал-Агро в чистом виде способствовало повышению урожайности ячменя на 0.13–0.35 т/га (на 5–15%), в случае сочетания с внесением минерального удобрения – на 0.64–0.76 т/га (на 27–32%).

Опрыскивание вегетирующих растений яровой пшеницы кремниевыми препаратами (мивал-Агро, ЭкSi) увеличивало продуктивность культуры на 0.20–0.24 т/га (на 9–11%) при применении в чистом виде и на 0.37–0.40 т/га (на 17–19%) совместно с минеральным удобрением. Обработка семян яровой пшеницы кремнийсодержащими материалами (диатомитом, препаратами мивал-Агро, ЭкSi) обеспечило повышение урожайности культуры на 0.13–0.37 т/га (на 6–17%), на удобренном фоне прибавка составила 0.41–0.57 т/га (на 19–26%).

Более высокая урожайность ячменя сформировалась в варианте сочетания препарата Мивал-Агро с внесением минерального удобрения и составила 3.17 т/га (контроль – 2.41 т/га), яровой пшеницы – при сочетании предпосевной обработки семян кремниевым препаратом ЭкSi и применением NPK – 2.73 т/га (контроль – 2.16 т/га). Кремнийсодержащие материалы позволили увеличить количество клейковины в зерне яровой пшеницы. При использовании в чистом виде этих материалов этот показатель качества зерна изменялся от 26.3 до 30.1%, на удобренном фоне увеличился до 27.8–30.9%, тогда как в контроле был равен 23.9%.

На продуктивность культур оказала существенное негативное воздействие пораженность посевов возбудителями корневых гнилей, о чем свидетельствовала обратная связь между этими показателями (рис. 2б).

В табл. 6 представлена урожайность озимой пшеницы, возделываемой на дерново-подзолистой почве. Из данных приведенной таблицы следует, что все кремнийсодержащие регуляторы роста способствовали достоверному повышению урожайности озимой пшеницы от 0.29 до 0.78 т/га. Наиболее эффективным из них при возделывании озимой пшеницы был препарат мивал-Агро (прибавка урожайности – 0.78 т/га). По-видимому, последнее было обусловлено не только тем, что в его состав входит не только кремнийсодержащий мивал, но и крезацин, являющийся фитоадаптогеном и фитоантиоксидантом, но и синергизмом их взаимодействия. Озимая пшеница является кремнелюбивой культурой, и ее урожайность находится в положительной сильной зависимости от содержания актуального кремния в почвенном растворе (r = 0.88 ± 0.33).

ВЫВОДЫ

1. Кремнийсодержащие материалы (диатомит и биологические препараты) способствовали повышению активности целлюлозоразлагающих микроорганизмов чернозема выщелоченного при применении в чистом виде на 12–15%, в сочетании с NPK – на 18–21%, дерново-подзолистой почвы – на 15 и 31% соответственно.

2. Под влиянием изученных приемов улучшились или сохранились на прежнем уровне агрохимические показатели почв. При этом содержание элементов питания в пахотном слое чернозема выщелоченного в течение всей вегетации ярового ячменя и яровой пшеницы поддерживалось выше контрольного варианта: фосфора – на 3–8 и 8‒18%, обменного калия – на 5–13%, минерального азота – на 4–13 и 9–15% соответственно. В дерново-подзолистой почве под посевом озимой пшеницы наибольшие изменения произошли в содержании актуального кремния, которое увеличилось по отношению к контролю в 1.6–2.3 раза.

3. Кремнийсодержащие материалы обладают несомненными защитными свойствами: пораженность корневыми гнилями посевов ярового ячменя и яровой пшеницы снижалась на 14–24 и 9–23% соответственно относительно контроля.

4. Применение диатомита, препаратов мивал-Агро и ЭкSi для предпосевной обработки семян обеспечило повышение урожайности ячменя и яровой пшеницы на черноземе выщелоченном на 0.26–0.35 и 0.13–0.37 т/га; озимой пшеницы с использованием препаратов силиплант, энергия-М и мивал-Агро на дерново-подзолистой почве – на 0.29–0.78 т/га (в контроле – 2.51 т/га). Наиболее эффективной при возделывании ярового ячменя как на неудобренном, так и на фоне NPK была предпосевная обработка семян диатомитом и препаратом мивал-Агро, яровой пшеницы – сочетание предпосевной обработки семян препаратом ЭкSi с применением минеральных удобрений; озимой пшеницы – препаратом мивал-Агро.