Агрохимия, 2019, № 9, стр. 18-25

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы, несмотря на определенные успехи в зерновом хозяйстве, средняя урожайность яровых зерновых культур в России остается все еще низкой – 20–22 ц/га. Прежде всего это относится к регионам с распространением дерново-подзолистых почв легкого гранулометрического состава, площадь которых в стране превышает 5 млн га. Значительная часть таких почв приходится на западную часть Нечерноземной зоны. Важно учитывать, что в годы с неблагоприятными условиями перезимовки посевы озимой пшеницы в этом регионе часто погибают. В качестве компенсации потерь производства продовольственного зерна целесообразно расширение посевов такой страховой культуры, как яровая пшеница.

Получение высоких и устойчивых урожаев высококачественного зерна в значительной степени зависит от совершенствования агротехнологий, в том числе за счет научно обоснованных и экологически сбалансированных систем удобрения [1, 2]. Практика применения агрохимических средств в ряде случаев, в частности завышение их доз в отдельных хозяйствах, может быть сопряжена с экологическим риском и вызывать негативные изменения в почвах и агроэкосистемах в целом [3]. В этой связи в условиях дерново-подзолистых легкосуглинистых почв западной части Нечерноземной зоны РФ актуальна разработка научных основ длительного применения органических и минеральных удобрений при оптимизации их доз при возделывании важнейших сельскохозяйственных культур, в частности яровой пшеницы. Важное значение при этом имеют результаты исследований в длительных полевых опытах, предусматривающих действие и последействие органических и минеральных удобрений в системе почва–растение.

Цель работы – в длительном полевом опыте на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве при выращивании яровой пшеницы дать научное обоснование применения эффективных, экологически безопасных доз и сочетаний подстилочного навоза, минеральных азотных, фосфорных и калийных удобрений, обеспечивающих повышение урожайности и качества зерновой продукции, сохранение экологического состояния почвы.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проводили в стационарном полевом факториальном опыте, заложенном в 1978 г. в п. Ольша Смоленского р-на Смоленской обл. Опыт внесен в Реестр аттестатов длительных опытов с удобрениями и другими средствами химизации Российской Федерации под номером 5.

Почва опытного участка – дерново-подзолистая легкосуглинистая окультуренная, перед закладкой опыта в слое 0–20 см имела рН_КCl 5.5, содержала органического углерода (по Тюрину) 1.3–1.5%, подвижного фосфора (по Кирсанову) – 110–209 и калия – 115–146 мг/кг.

Схема опыта факториальная, представлена выборкой 1/27 (6 × 6 × 6 × 6). За единичные дозы под яровую пшеницу были приняты: N30, P30, K30. Доза навоза – 3 т/га ежегодно. Изучали 4 фактора: навоз, азотные, фосфорные, калийные минеральные удобрения в 6-ти дозах, включая нулевую. Всего в опыте было 48 вариантов. В кодах вариантов первая цифра обозначает “азот”, вторая – “фосфор”, третья – “калий”, четвертая – “навоз”. Повторность в опыте трехкратная, площадь делянки – 112 м² (7 × 16), учетная площадь – 48 м² (4 × 12).

За 30 лет опыта прошло 4 ротации севооборота. Чередование культур в 1-й ротации (1979–1989 гг.): 1 – картофель, 2 – ячмень, 3 – озимая рожь, 4 – овес, 5 – горохоовсяная смесь, 6 – озимая пшеница, 7 – ячмень, 8 и 9 – многолетние травы 1-го и 2-го годов пользования, 10 – озимая рожь, 11 – овес; во 2-й (1990–1995 гг.) и 3-й (1996–2001 гг.) ротациях: 1 – картофель, 2 – ячмень, 3 и 4 – многолетние травы 1-го и 2-го годов пользования, 5 – озимая пшеница, 6 – овес; в 4-й (2002–2008 гг.) и 5-й (2009–2015 гг.) ротациях: 1 – овес на зеленый корм, 2 – озимая рожь, 3 – ячмень, 4 и 5 – многолетние травы 1-го и 2-го годов пользования, 6 – яровая пшеница, 7 – овес; в 6-й ротации (начиная с 2016 г.): 1 – сидерат, 2 – яровая пшеница, 3 – ячмень, 4 и 5 – многолетние травы 1-го и 2-го годов пользования. Таким образом, насыщенность севооборота зерновыми культурами (с учетом гибели их посевов в 1994 г.) составляла в ротациях от 1-й к 5-й: 54, 50, 50, 57, 57% в среднем – 54%; насыщенность многолетними травами – соответственно 18, 33, 33, 28, 28, в среднем 28%. Многолетние травы были представлены бобово-злаковой травосмесью из тимофеевки луговой и клевера лугового.

Последействие удобрений изучали в 5-й и 6‑й ротациях севооборота (начиная с 2009 г.). В период последействия во всех вариантах опыта, включая контроль, применяли ежегодно N_aa в дозах N30–45 под все другие культуры севооборота.

В опыте использовали яровую мягкую пшеницу сорта МИС, оригинатор – НИИСХ ЦРНЗ. Сорт создан методом индивидуального отбора из гибридной популяции F3 (Trippel × Приокская), разновидность лютесценс, сорт среднеспелый. Сорт рассчитан на стабильное получение зерна, пригодного для макаронных изделий. Обладает устойчивостью к полеганию, слабо поражается бурой ржавчиной, мучнистой росой и твердой головней.

При посеве яровой пшеницы использованы семена первой репродукции. В первые 2 ротации полевого севооборота применяли средства защиты растений. Удобрения вносили перед вспашкой и в подкормку (Р_с, K_х и N_аа). Дозы удобрений в вариантах были внесены согласно схеме опыта.

Навоз с небольшим количеством подстилки поступал с фермы крупного рогатого скота, имел влажность 70% и содержал в среднем 0.46% общего азота, 0.08% аммонийного азота, 0.21% фосфора (P₂O₅), и 0.66% калия (K₂O). Содержание органического вещества (на сухую массу) составляло 59%, отношение C : N было равно 19. Валовое содержание тяжелых металлов в навозе было невысоким: Cd – 0.1, Cr – 1.0, Ni – 1.0, Cu – 0.6, Zn – 7.0 мг/кг сухой массы. Навоз вносили в 1-й ротации севооборота под картофель и озимую пшеницу, во 2-й и 3-й ротациях – под картофель, в 4-й ротации – под озимую рожь.

Известкование проводили дважды за 4 ротации по полной гидролитической кислотности под картофель. В 1-й ротации известь вносили в 1978 г., во 2-й – в 1990 г.

Учет урожайности был проведен сплошным методом. Массу 1000 зерен определяли по ГОСТ 10842-89, натуру зерна – по ГОСТ 10840-64.

Агрохимический анализ почвы в слое 0–20 см выполняли по методикам, применяемым в агрохимической службе: рН_KCl – потенциометрическим методом (ГОСТ 26483-85), фосфор и калий – по методу Кирсанова (ГОСТ 26207-91), фосфор – фотометрическим ванадиево-молибдатным методом после мокрого озоления, калий – методом пламенной фотометрии, содержание гумуса – по Тюрину (ГОСТ 26213-91). Растительные образцы анализировали по ГОСТ 1349464-93, ГОСТ 26657-97 и ГОСТ 30504-97. Микробиологические исследования выполнены молекулярным методом на кафедре агрохимии и биохимии растений МГУ им. М.В. Ломоносова [4].

Статистическую обработку экспериментальных данных выполнили по методикам [5, 6] с использованием компьютерной программы STRAZ.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Согласно результатам длительного стационарного опыта и обобщению ранее полученных данных [4, 7] проведен анализ действия и последействия органических и минеральных удобрений в широком диапазоне доз, внесенных в дерново-подзолистую легкосуглинистую почву под яровую пшеницу. В табл. 1 приведены данные по влиянию удобрений на урожайность зерна яровой пшеницы, возделываемой в зернотравяном полевом севообороте. Урожайность яровой пшеницы в зависимости от действия (в среднем за 2007–2008 гг.) и последействия (в среднем за 2014, 2015, 2017, 2018 гг.) органических и минеральных удобрений, применяемых в различных дозах и сочетаниях, описывалась следующими уравнениями регрессии:

Показано, что урожайность зерна в контроле составляла от 15.2 до 19.2 ц/га, т.е. приближалась к уровню средней статистической величины для РФ, равной 18 ц/га (Сельское хозяйство России, 2014). Из уравнений видно, что наиболее сильное влияние навоза и всех видов минеральных удобрений на урожайность зерна проявлялось в их действии. В последействии урожайность яровой пшеницы резко снизилась, в среднем в опыте в 1.7 раза в вариантах с удобрениями. При этом достоверные прибавки урожайности яровой пшеницы в последействии были получены лишь в 5‑ти вариантах применения органо-минеральных систем удобрения при включении высоких доз фосфора или калия с навозом – четырехкратных (в вариантах 4444, 1444) и пятикратных (в вариантах 2525, 2225, 5255).

Анализ прямого действия удобрений показал, что существенные прибавки урожайности зерна были получены даже от азота, фосфора и калия в вариантах с их односторонним внесением, которые находились на уровне 44–59%. От полного минерального удобрения в тройных дозах (3330) прибавка урожайности зерна по отношению к контролю достигала 79%. Для органической системы удобрения прибавка составила 57% (рис. 1).

Рис. 1.

Прибавки урожайности яровой пшеницы в зависимости от применения органических и минеральных удобрений.

При внесении тройных доз действие органо-минеральной системы (вариант 3333) по урожайности зерна практически не отличалось от минеральной (вариант 3330) и органической (вариант 0003). С ростом доз удобрений в органо-минеральных вариантах в действии (варианты 1111, 2222, 3333, 4444, 5555) урожайность составила соответственно 28.5, 33.4, 35.3, 32.3, 39.6 ц/га, т.е. при этом в основном наметилась тенденция к ее увеличению (рис. 2). Максимальная урожайность яровой пшеницы достигалась в варианте самых высоких доз применения органо-минеральной системы (вариант 5555) – 39.6 ц/га, а также при сочетании азотных и органических удобрений в тройных дозах (вариант 3003) – 41.2 ц/га. Однако достоверной разницы в урожайности между этими вариантами не было отмечено.

Рис. 2.

Прибавки урожайности яровой пшеницы в зависимости от возрастающих доз удобрений в органо-минеральных вариантах. Варианты: 1 – N30P30R30 + навоз 3 т/га, 2 – N60P60K60 + навоз 6 т/га, 3 – N90P90K90 + навоз 9 т/га, 4 – N120P120K120 + навоз 12 т/га, 5 – N150P150K150 + навоз 15 т/га. То же на рис. 4.

Урожайность яровой пшеницы последовательно увеличивалась от рассчитанных на основании уравнений регрессии возрастающих доз азота, фосфора и калия, минеральных удобрений и навоза – от однократных до пятикратных доз.

На основании экспериментальных данных установлено положительное влияние удобрений на качество зерна яровой пшеницы. Более высокое содержание азота (2.0%) в зерне отмечено в варианте полного минерального удобрения (вариант 3330), а также в варианте применения органо-минеральной системы при внесении пятикратных доз азота, фосфора, навоза и двукратной дозы калия (вариант 5525), достигая 2.2%. Содержание фосфора в зерне увеличивалось в значительной мере от внесения навоза – с 0.67% на контроле до 0.70% (вариант 0003), а также от органо-минеральной системы (вариант 3333), где оно достигало 0.89%. Влияние удобрений на содержание в зерне калия было слабым. Содержание белка и азота в зерне в меньшей мере зависело от навоза, а в большей – от полного минерального удобрения (вариант 3330), где этот показатель составлял 11.7%, и органо-минеральных систем с повышенными дозами азота или навоза (рис. 3, 4).

Рис. 3.

Содержание сырого белка в зерне яровой пшеницы в зависимости от вариантов применения органических и минеральных удобрений.

Рис. 4.

Содержание сырого белка в зерне яровой пшеницы в зависимости от возрастающих доз удобрений в органо-минеральных вариантах опыта.

Испытанные системы удобрения (органо-минеральная и органическая) в последействии положительно влияли на плодородие почвы, в частности на ее биологическую активность. В исследованиях, выполненных совместно с кафедрой агрохимии и биохимии растений МГУ им. М.В. Ломоносова, было установлено, что общая численность микроорганизмов в почве в контроле составляла 46.8 × 10⁶ кл./г (табл. 2). Влияние навоза в тройной дозе (вариант 0003) повышало этот показатель (на уровне тенденции) до 66.4 × × 10⁶ кл./г, в то время как при применении минеральных удобрений (вариант 3330) он был даже меньше контроля и составлял 38.1 × 10⁶ кл./г. В вариантах органо-минеральных систем удобрения общая численность микроорганизмов менялась от 43.6 до 82.5 × 10⁶ кл./г, причем с увеличением доз удобрений наметилась тенденция к ее росту, но только до четырехкратных доз (вариант 4444).

Максимальная общая численность микробоценоза была при внесении четырехкратных доз навоза и минеральных удобрений. При этом в общей численности микроорганизмов преобладали представители филума Proteobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes, Actinobacteria. Анализ видового состава сообщества показал, что в почве данного варианта относительно контроля в филуме Proteobacteria отмечено увеличение численности аэробного вида Acetobacter sp. – ассоцативного азотфиксатора, Ochrobactrum sp., Pseudomonas fiuorescens и факультативно анаэробного вида Aeromonas hydrophila. В варианте двукратных доз навоза и минеральных удобрений, где была получена более высокая урожайность яровой пшеницы (в среднем за годы исследования 3.34 т/га), численность микроорганизмов составила 54.4 × 10⁶ кл./г. Отмечен также рост доли филума Proteobacteria. С внесением одного навоза увеличивалась суммарная численность представителей филума Bacteroidetes, в основном за счет анаэробного вида Bacteroides ruminicola.

Микробное разнообразие почвы во всех вариантах опыта характеризовалось высокими показателями. Индекс биоразнообразия изменялся от 4.6 до 5.0.

При изучении целлюлозоразлагающей активности почвы с помощью метода аппликации (рис. 5) установлено, что в контроле без удобрений за период экспозиции в 55 сут разложилось 3.74 г льняной ткани, или 49.9%.

Рис. 5.

Целлюлозоразлагающая способность микробных сообществ в почве в зависимости от органических и минеральных удобрений.

Высоким этот показатель был и в вариантах последействия калийных удобрений (вариант 0030), составивший 52.5%. При одностороннем внесении навоза в тройной дозе разложение ткани находилось на уровне 58.3%. Меньшее влияние на целлюлозоразлагающую способность микроорганизмов оказывали в последействии азотные удобрения при их одностороннем применении. С ростом доз удобрений разложение ткани усиливалось: с 49.9% в контроле до 61.7% в вариантах максимальных доз навоза и минеральных удобрений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании исследования, проведенного в стационарном полевом опыте на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве в условиях западной части Нечерноземной зоны, показано, что длительное применение органических и минеральных удобрений под яровую пшеницу при оптимизации их доз и сочетаний было эффективным и экологически безопасным приемом. Установлена тенденция к снижению урожайности яровой пшеницы, возделываемой в севообороте, при низких и умеренных дозах удобрений и тенденция к ее повышению при интенсивном их применении. В период последействия наибольшее положительное влияние на урожайность зерна оказывали органические удобрения, особенно в повышенных дозах в вариантах сочетаний их с минеральными удобрениями.

При сравнительной оценке действия систем удобрений под яровую пшеницу установлено преимущество органо-минеральной системы – N60P60K60 на фоне внесения подстилочного навоза 6.0 т/га, обеспечившей получение в действии удобрений урожайности зерна 3.3 т/га, что на 74% превышало контроль, и в последействии – 2.0 т/га, или больше на 38%. Почва при этом характеризовалась высокой численностью микробоценоза – 54.4 × 10⁶ кл./г, что на 16% было больше контроля. При применении органической системы удобрения с внесением навоза 9 т/га ежегодно при высокой численности микробоценоза (66.4 × 10⁶ кл./г) урожайность зерна яровой пшеницы составляла 3.0 т/га, или была на 57% больше контроля. Минеральная система удобрения при снижении (на уровне тенденции) общей численности микроорганизмов (38.1 × 10⁶ кл./г) позволяла получить в среднем 3.4 т/га зерна, или на 79% больше контроля, и продукцию с более высоким (по сравнению с органической и органо-минеральной системами удобрения) содержанием сырого белка – 11.7%.