Агрохимия, 2019, № 9, стр. 53-59

ВВЕДЕНИЕ

Результаты многих исследований подтверждают важную функцию растительных остатков в регулировании плодородия почвы и создании условий для роста и развития растений [1–7]. Однако до настоящего времени в недостаточной мере учитывали, что при применении в качестве удобрения соломы в почве создаются зоны с повышенным содержанием растительных остатков, в результате чего возникают аллелопатические эффекты, которые могут оказывать существенное влияние на условия использования элементов питания культурными растениями [8, 9].

В связи с этим является актуальным вопрос о размещении семян культурных растений в почве при заделке в нее соломы, используемой в качестве удобрения и минимизации неблагоприятных последствий влияния продуктов разложения соломы на рост и развитие растений и максимального использования возможных стимулирующих эффектов. В связи с недостаточной изученностью данного вопроса цель работы – в вегетационном опыте изучить влияние соломы бобовых (гороха) и злаковых (ячмень) культур и способов ее размещения в пахотном слое на продукционный процесс растений ячменя.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

В вегетационном опыте использовали темно-серую лесную почву. В качестве удобрения применяли солому гороха и ячменя, измельченную до состояния грубого помола.

Опыт проводили в вегетационных полиэтиленовых сосудах емкостью 4.2 кг абсолютно сухой почвенной смеси. Количество внесенной различными способами соломы – 210 г. Почва, использованная для закладки опыта, обладала следующими агрохимическими характеристиками: содержание гумуса – 3.59%, pH 5.5, содержание подвижного P₂O₅ – 28.9, обменного K₂O – 19.7, легкогидролизуемого азота – 14.0, общего азота – 204 мг/100 г почвы. Химический состав соломы был следующим: содержание сырого протеина – 5.28 и 9.98% в ячменной и гороховой соломе соответственно, калия – 1.42 и 2.26, фосфора – 0.162 и 0.209, NO$_{3}^{ - }$ – 257 и 603 мг/кг, N_общ – 0.84 и 1.60%.

Повторность опыта четырехкратная. В каждый сосуд было посеяно по 20 семян ячменя сорта Визит на глубину 3 см, влажность поддерживали на уровне 60% ПВ, полив производили ежедневно. Соотношение массы почвы и соломы – 20 : 1.

Схема опыта предусматривала различные варианты размещения семян, растительных остатков бобовых и злаковых культур и почвы, обеспечивших различный контакт между ними, варианты: 1 – почва без соломы (контроль), 2 – гомогенная смесь почвы с соломой гороха, 3 – слой соломы гороха толщиной 3 см на глубине 6 см, 4 – слой соломы гороха толщиной 3 см на поверхности почвы, 5 – гомогенная смесь почвы с соломой ячменя, 6 – слой соломы ячменя толщиной 3 см на поверхности почвы, 7 – слой соломы ячменя толщиной 3 см на глубине 6 см, 8 – слой соломы ячменя толщиной 3 см на поверхности почвы, 9 – слой смеси почвы с соломой ячменя толщиной 6 см на поверхности почвы, 10 – слой почвы толщиной 6 см над смесью почвы и соломы ячменя, 11 – слой почвы толщиной 6 см, ниже – прослойка из смеси почвы с соломой ячменя толщиной 6 см, 12 – слой почвы толщиной 6 см под смесью почвы и соломы ячменя, 13 – слой смеси почвы и соломы ячменя толщиной 6 см под слоем почвы толщиной 6 см.

Определение содержания хлорофилла в листьях проводили спектрофотометрическим методом, рост корневой системы растений изучали по методу Сабинина и Колосова [10], активность каталазы определяли спектрофотометрическим методом, пероксидазы – колориметрическим методом (по Боярскому) [11].

Химический анализ растительных остатков определяли следующими методами: содержание общего азота – по Кьельдалю объемным методом, нитратного азота – потенциометрическим, фосфора – колориметрическим, калия – методом пламенной фотометрии, сырого протеина — расчетным [12]. Статистическую обработку результатов исследования провели по [13].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Главным показателем агроэкологических изменений в почвенной среде под влиянием органических удобрений является продукционный процесс растений. В настоящем исследовании различные варианты заделки в почву соломы гороха и ячменя оказали существенное влияние на рост и развитие тест-культуры ячменя (рис. 1): хорошо заметны различия в развитии растений ячменя в различных вариантах на 65-е сут после посева, которые сформировались в процессе развития тест-растений. Например, наиболее дружные всходы появились в вариантах, где семена были помещены над растительными остатками. По нашему мнению, это объясняется тем, что в момент прорастания на семена не оказывали вредного аллелопатического воздействия продукты разложения растительных остатков. Лучшими по количеству взошедших семян были следующие варианты: контроль, семена в почве над смесью почвы с соломой ячменя, семена в почве над прослойкой из смеси почвы с соломой ячменя и солома ячменя над семенами. Отмечена более низкая энергия прорастания семян в вариантах с соломой гороха, что определялось высокой токсичностью почвы на начальных этапах развития растений, возникшей в результате разложения данного вида фитомассы. Однако всходы в этих вариантах были более жизнеспособными, и ингибирующие эффекты соломы гороха исчезли раньше, чем в вариантах с внесением соломы ячменя, т.к. имело место лучшее обеспечение растений элементами питания, что подтвердили данные высоты проростков. На 6-е сут отмечено лучшее развитие растений в вариантах, где семена ячменя размещались над растительными остатками. То же происходило и в вариантах с соломой гороха. На 10–13-е сут после посева тест-растений в вариантах с соломой гороха проростки были больше по высоте, чем растения в аналогичных вариантах с соломой ячменя, однако в это время и вплоть до 17-х сут растения лучше развивались в контроле, что объясняется отсутствием продуктов разложения соломы. На 5-й нед после посева вариант с размещением семян в гомогенной смеси почвы с соломой гороха обгонял контроль. Вероятно, это было связано с тем, что исчезли вредные, ингибирующие рост растений эффекты, возникшие в процессе разложения фитомассы гороха.

Рис. 1.

Развитие растений на 65-е сут после посева: слева направо, сверху вниз – варианты 1–13.

За время опыта лучшее развитие растений ячменя было отмечено в вариантах с соломой гороха, при этом лучше были развиты растения в вариантах, где семена находились над соломой гороха, средняя высота растений в конце вегетации была равна 69.4 см, тогда как в контроле – 35.8 см. Варианты с размещением семян в смеси почвы с соломой и в соломе различались незначительно, и высота растений составила соответственно 55.5 и 51.3 см.

В вариантах с соломой ячменя лучшие результаты были получены при размещении семян над смесью соломы с почвой и над прослойкой из их смеси: 36.5 и 27.6 см соответственно. Хуже всего растения развивались в варианте смеси почвы с соломой ячменя – 12.8 см.

В фазе колошения были изучены анатомо-морфологические особенности листового аппарата растений (табл. 1). Изучали следующие показатели: площадь всех листьев растения (S_лист), прощадь флагового листа растения (S_фл.л), количество устьиц на 1 мм² нижнего эпидермиса флагового листа растений (Q_ус), площадь устьица на нижнем эпидермисе флагового листа растения (S_ус) и площадь клетки ксилемы (S_кс).

Установлено, что наибольшая площадь листьев была в вариантах с соломой гороха. Самая большая площадь листового аппарата была при размещении семян над слоем соломы гороха, меньше она была в вариантах размещения семян в гомогенной смеси почвы с соломой гороха и в соломе гороха.

Лучшими вариантами с соломой ячменя по площади листьев были: размещение семян в соломе ячменя и над смесью почвы с соломой ячменя. Далее по величине этого показателя следовал контроль. Наименьшая площадь листьев была в варианте с размещением семян в гомогенной смеси почвы с соломой ячменя.

По площади флагового листа также выделялись варианты с соломой гороха. Для них отмечена та же закономерность, что и для общей площади листьев. Лучшим с соломой ячменя был вариант с размещением семян над смесью почвы с соломой. Далее шел контроль, за ним вариант с семенами над прослойкой из смеси почвы с соломой ячменя. Наименьшая площадь флагового листа была при размещении семян в гомогенной смеси почвы с соломой ячменя.

Наибольшее количество устьиц на 1 мм² нижнего эпидермиса флагового листа было на больших по площади листьях, но площадь устьица с увеличением площади листа уменьшалась. По величине площади ксилемных клеток выделены 3 группы вариантов. Первая группа – с внесением соломы гороха, вторая – контроль и варианты с размещением семян над соломой ячменя и в ней, третья – размещение семян в смеси почвы и соломы и под растительными остатками. В пределах каждой группы у растений с большей площадью листовой пластинки была меньшая площадь клеток ксилемы.

Наибольшее содержание хлорофилла отмечено в вариантах с соломой гороха, причем более высокое его содержание как при внесении гороховой, так и ячменной соломы отмечено при размещении семян над ней, причем вариант с соломой гороха был лучшим.

Самое низкое содержание хлорофилла отмечено в вариантах с размещением семян в смеси соломы ячменя с почвой. Бóльшая активность ферментов пероксидазы и каталазы выявлена также в вариантах с соломой гороха, а если рассматривать способ ее заделки, то как для гороховой, так и для ячменной соломы лучшие результаты получены при размещении семян в почве над растительными остатками.

В фазе колошения были исследованы корни тест-культуры по комплексу показателей (табл. 2). Наибольшей массой корней характеризовались растения ячменя в вариантах с лучшим развитием надземной части. Отмечена та же тенденция, что и в развитии надземной биомассы, с некоторыми различиями при размещении семян в слое фитомассы или под ней. В соотношении массы корней и надземной части показаны очень большие различия. Например, в контроле на 1 г корней приходилось 6.19 г надземной биомассы, в варианте с соломой гороха при размещении семян над растительными остатками – 5.71 г, в смеси или в самой биомассе – 8.12–8.38 г. В вариантах с соломой ячменя по этому показателю отмечены еще бóльшие различия: при размещении семян над смесью или над прослойкой из смеси величина надземной биомассы составила 4.90–5.85 г/г корней, при мульчировании почвы – 5.81 г, при размещении семян в гомогенной смеси фитомассы с почвой или под ней – 2.12–2.93 г, в соломе – 4.14 г, в смеси с соломой под почвой или в прослойке под почвой – 7.79–8.12 г/г корней.

Бóльшая масса и объем корневой системы тест-растений при внесении соломы ячменя были в варианте с размещением семян в соломе. Хуже всего была развита корневая система растений в варианте, где семена помещали в смесь почвы с соломой ячменя.

Масса и объем корневой системы не дали полного представления о деятельности корневой системы. Поэтому определили функциональную активность и удельную адсорбирующую поверхность корневой системы. Функциональная активность корневой системы проявила ту же закономерность, что и масса корневой системы.

Удельная адсорбирующая поверхность корневой системы находилась в прямой зависимости между развитием надземной массы и массой корневой системы, особенно это касалось показателя деятельной поверхности, а некоторые различия в тенденции к развитию надземной массы и массы корневой системы компенсировались именно деятельной удельной адсорбирующей поверхностью корней.

Урожай общей биомассы и массы зерна проявили те же тенденции, что и другие показатели развития тест-культуры (табл. 3). Наибольшая масса как общая, так и составляющих ее структурных элементов была отмечена в вариантах с использованием в качестве удобрения соломы гороха. Способ размещения семян при использовании соломы на удобрение оказал большое влияние на жизнеспособность растений. Несмотря на то что в каждый сосуд в соответствие с методикой вегетационного опыта было высеяно одинаковое количество жизнеспособных семян, количество пригодных для учета продуктивности растений в вариантах опыта менялось существенно. Это оказало влияние на результирующие показатели продуктивности растений в расчете как на один вегетационный сосуд, так и на одно растение.

При размещении семян над соломой были получены самые высокие показатели продуктивности, далее шли варианты с гомогенной смесью почвы с соломой и с размещением семян в соломе гороха. Лучший вариант с соломой ячменя – семена над гомогенной смесью с почвой, самые низкие показатели – в варианте с гомогенной смесью почвы с соломой. Видимо, при формировании посевного слоя на начальных стадиях необходимо наличие прослойки без растительных остатков, которое создает условия для развития корневой системы растения. Если такой прослойки нет, как в варианте 5, то корневая система не имела возможности развиваться, т.к. встречала зоны субстрата с более высокой фитотоксичностью. Можно также предположить, что за время опыта не произошло разложения соломы ячменя до стадии, на которой ингибирующее действие переросло в стимулирующее, в отличие от соломы гороха, скорость минерализации которой была выше.

Кроме этого, отмечена еще одна особенность. В вариантах с применением соломы гороха самое узкое соотношение между основной и побочной продукцией было равно 1.00 : 1.08–1.17. В контроле и при помещении семян в почву над растительными остатками ячменя это соотношение равнялось 1.00 : 1.59–2.23. При размещении семян в слое фитомассы или под ним это соотношение было больше, чем 1.00 : 2.40.

Была обнаружена тесная взаимосвязь между общей площадью листьев и урожайностью биомассы. Масса зерна также была связана прямой зависимостью с площадью флагового листа.

После уборки растений определили содержание в почве основных элементов питания (табл. 4). Во всех вариантах произошло увеличение содержания подвижных форм элементов питания, особенно сильно увеличилось содержание подвижных соединений фосфора и калия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При внесении соломы разного происхождения в качестве удобрения были созданы различные условия для роcта и развития тест-растений ячменя в зависимости от особенностей контакта растительных остатков и семян и вида внесенной соломы, которые определялись особенностями ее трансформации в почвенной среде.

Удобрительное действие соломы бобовых и злаковых культур в большей степени проявлялось в том случае, если эта солома была размещена в виде экрана под посевным слоем, а посевной слой формирован без растительных остатков и в нем на соответствующей глубине заделывали семена тест-культуры. Отмеченный эффект был связан с аллелопатическими явлениями, о чем наглядно свидетельствовали определенные изменения показателей энергии прорастания, всхожести семян, содержания хлорофилла, активности каталазы, пероксидазы и т.п., которые, как известно, являются индикаторами физиолого-биохимических изменений в почвенной среде.

Совершенствование сельскохозяйственных машин и орудий для биологизированных технологий возделывания сельскохозяйственных культур должно осуществляться в направлении создания условий для заделки семян в посевной слой, сформированный из почвы без растительных остатков, а нетоварную часть урожая предшественников необходимо заделывать ниже посевного слоя. При этом повышение урожая зерновых культур происходит за счет предотвращения аллелопатических эффектов, когда исключается контакт семян с растительными остатками и в то же время создаются условия для максимального использования удобрительных свойств фитомассы, внесенной в почву.