Агрохимия, 2020, № 12, стр. 19-27

ВВЕДЕНИЕ

Стратегическим направлением повышения эффективности земледелия и сельскохозяйственного производства является рациональное использование средств интенсификации. По оценкам ученых, использование минеральных удобрений обеспечивает от 41 до 50% прироста урожая культурных растений [1–3]. По данным ФАО, корреляция стоимости собранного урожая с объемами применения минеральных удобрений в 40 странах мира составляет в последние годы 0.85 [4]. В то же время, в силу разных причин эффективность применения удобрений в нашей стране довольно низкая. Окупаемость 1 кг NPK в хозяйствах составляет 4–6 кг зерна, тогда как оптимальным считается соотношение 10–12 кг зерна/кг NPK [5]. В связи с этим зачастую стоимость прибавки урожая от применения удобрений не окупает тех денежных затрат, которые пошли на приобретение и внесение минеральных удобрений. Поэтому поиск путей повышения эффективности применения удобрений имеет большое теоретическое и практическое значение.

Важную роль в повышении эффективности использования минеральных удобрений, наряду с другими приемами (дозы, сроки внесения и др.), играют способы их заделки, определяемые приемом обработки почвы [6–9], т.к. усвояемость питательных веществ из удобрений и почвы зависит от концентрации гранул удобрений в различных по увлажнению слоях почвы. Эффективность использования питательных веществ из почвы снижается при попадании их в слои почвы с дефицитом влаги или недостаточно увлажненные. Поэтому совершенствование технологии внесения удобрений должно осуществляться на адаптивной основе с максимальным учетом почвенно-климатических и ландшафтных условий, особенностей каждого конкретного землепользования. Такой подход обеспечит комплексное решение проблем повышения плодородия почвы, эффективности удобрений и продуктивности выращиваемых культур.

В зависимости от приема и глубины обработки почвы минеральные удобрения по-разному распределяются в пахотном слое, попадая в разные его прослойки. В модельных опытах установлено, что при вспашке в слой 0–10 см попадает 15% удобрений, в слой 10–20 см – 38, в слой 20–30 см – 47, при безотвальной обработке – соответственно 55, 31, 14% [10].

В научной литературе нет единой точки зрения относительно влияния различных приемов обработки почвы на эффективность использования минеральных удобрений. По данным [11], наибольшую эффективность имело внесение NPK на глубину 10 см и перемешивание их в слое 0–10 см. Поверхностное внесение удобрений или же перемешивание в слое почвы 5 см снижало эффект действия удобрений на 5–7%. К тому же безотвальная обработка усиливает неблагоприятную дифференциацию корнеобитаемого слоя по плодородию и снижает действие удобрений [6].

Результаты других исследований показали, что наибольший эффект от удобрений достигается при переменной по глубине и способам системе основной обработки в севообороте, формирующей мощный культурный пахотный слой [12]. В ряде работ [13, 14] отмечено, что минеральные удобрения равнозначно действуют при различных способах основной обработки почвы.

Есть исследования, где показано, что эффективность удобрений зависит как от различного размещения их в пахотном слое почвы, так и от погодных условий вегетационного периода [11].

Противоречивость мнений и выводов, существующих в научной литературе, о влиянии различных технологий основной обработки на эффективность вносимых удобрений, а также недостаточность экспериментальных данных на черноземных почвах послужили основанием для анализа собственных исследований. Цель работы – изучить влияние способов и систем механической обработки почвы на эффективность минеральных удобрений на черноземе обыкновенном (сегрегационном) в условиях юго-востока ЦЧР.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования был чернозем обыкновенный (сегрегационный) среднегумусный среднемощный, тяжелосуглинистый, с благоприятными физико-химическими и агрохимическими показателями, и агрохимической характеристикой слоя 0–30 см почвы: содержание гумуса (по Тюрину в модификации В.Н. Симакова, ГОСТ 2613-91) – 6.48%, общего азота (по Гинзбургу) – 0.346%, общего фосфора (по Гинзбургу–Щегловой) – 0.208%, общего калия (по Ожигову) – 1.85%, азота гидролизуемого (по Тюрину–Кононовой) – 61.2 мг/кг почвы, сумма поглощенных оснований (ГОСТ 27821-88) – 66.4 мг/кг почвы, рН_KCl 6.99, гидролитическая кислотность – 0.57 мг-экв/100 г почвы. Обработку экспериментальных данных осуществляли дисперсионным методом математического анализа с использованием программного обеспечения ПК.

Наблюдения, анализы и учет проводили согласно действующим методикам, принятым в полевых и лабораторных исследованиях по земледелию [15–17].

В статье проанализированы результаты исследований, полученные в многолетнем полевом стационарном опыте, краткосрочном и модельных микрополевых опытах, в которых изучали различные способы и глубину основной обработки почвы с применением минеральных удобрений при ежегодном внесении N60P60K60 в виде АФК и без применения удобрений. Схема многолетнего стационарного опыта, варианты: ежегодная вспашка на глубину 20–22 см (контроль); то же на глубину 25–27 см; то же на глубину 30–32 см; то же на глубину 35–37 см; разноглубинная вспашка в севообороте двухъярусным плугом; разноглубинная вспашка в севообороте; комбинированная разноглубинная обработка в севообороте (30% – плоскорезная); комбинированная разноглубинная обработка в севообороте (60% – плоскорезная); разноглубинная плоскорезная обработка; ежегодное рыхление плугом без отвалов на глубину 25–27 см. Обработки почвы изучали в 10-польном зернопропашном севообороте с чередованием культур: кукуруза на зеленый корм – озимая пшеница – сахарная свекла – однолетние травы – озимая пшеница – кукуруза на зерно – горох – озимая пшеница – подсолнечник – ячмень. Повторность в опыте трехкратная, площадь делянки по обработке почвы (фактор А) – 720 м², удобрениям (фактор Б) – 360 м², учетной – 200 м². Исследования проводили во 2-й и начале 3-й ротациях севооборота (1988–1994 гг.). В опыте высевали сорта культур, районированных в годы проведения исследований.

Схема краткосрочного опыта: вспашка на глубину 20–22 см (контроль); вспашка ступенчатым плугом на глубину 20–30 см; вспашка двухъярусным плугом на глубину 20–22 см; вспашка на глубину 20–22 см + чизелевание на глубину 45 см; чизелевание на глубину 20–22 см; чизелевание на глубину 45 см; обработка параплау на глубину 20–22 см; обработка плоскорезом на глубину 20–22 см; обработка стойками СибИМЭ на глубину 20–22 см; без основной обработки почвы. Повторность в опыте трехкратная, площадь делянки по обработке почвы (фактор А) – 720 м², удобрениям (фактор Б) – 360 м², учетной – 200 м². В опыте высевали ячмень сорта Одесский 100. Годы исследований – 1988–1991 гг.

Вспашку делянок на глубину 20–35 см проводили плугом ПН-4-35, двухъярусную вспашку – ПЯ-3-40; чизельную обработку – ПЧ-2,5; плоскорезную обработку – КПГ-250; безотвальное рыхление почвы – плугом ПН-4-35 со снятыми отвалами и плугом ПН-4-35 со стойками СибИМЭ. При посеве зерновых и зернобобовых культур использовали сеялку СЗ-3,6, пропашных культур – СУПН-8. Уборку проводили комбайном “Сампо-500”.

Изучение способов обработки почвы вели на удобренном и неудобренном фонах. На удобренном фоне удобрения вносили из расчета N60P60K60 ежегодно под основную обработку почвы, под все культуры севооборота. Удобрения на делянках вносили вручную, в разброс.

Отбор почвенных образцов производили по слоям 0–10, 10–20, 20–30, 30–40 см на первом и третьем повторениях опыта из 5-ти скважин на делянке.

Для более детального изучения эффективности минеральных удобрений в зависимости от глубины заделки и распределения в обрабатываемом слое был заложен микрополевой опыт. Схема опыта: на фоне вспашки на глубину 20–22 см удобрения N60P60K60 в виде АФК заделывали в слой почвы: 1 – 0–7 см, 2 – 7–14 см, 3 – 14–21 см, 4 – 0–14 см, 5 – 7–21 см, 6 – 0–21 см. Повторность в опыте шестикратная. Размер делянки 1.2 м × 1.2 м, площадь посевной делянки – 1.44 м², учетной – 1.0 м². Учет урожая проводили вручную взятием снопов. В опыте высевали ячмень сорта Одесский 100. Исследования проводили в 2007–2009 гг. Удобрения на делянках вносили вручную, с выемкой слоев почвы и смешиванием удобрений в изучаемом слое.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

При изучении различных приемов обработки почвы отвальных и безотвальных, с различным формированием обрабатываемого слоя, установлено, что в почвенно-климатических условиях юго-востока ЦЧР с недостаточным увлажнением наибольшая эффективность от внесенных минеральных удобрений в повышении содержания нитратного азота в почве была при вспашке на глубину 20–22 см, где средневегетационное превышение содержания нитратного азота в слое почвы 0–40 см при внесении минеральных удобрений в виде АФК в дозе N60Р60К60 было максимальным и составило 1.9 мг/кг абсолютно-сухой почвы по сравнению с неудобренным фоном (табл. 1).

Отсутствие перемешивания обрабатываемого слоя с минеральными удобрениями и концентрация их в верхних слоях при применении безотвальной обработки почвы приводило к снижению эффективности удобрений в повышении обеспеченности почвы нитратным азотом. При чизелевании на глубину 45 см превышение содержания нитратного азота в почве при внесении удобрений над неудобренным вариантом составило 1.5 мг/кг абсолютно-сухой почвы (а.с.), при плоскорезной обработке на глубину 20–22 см – 0.9 мг/кг а.с. почвы. При сосредоточении минеральных удобрений на поверхности почвы при нулевой обработке, эффект от их внесения был минимальным, содержание нитратного азота в слое почвы 0–40 см повысилось лишь на 0.7 мг/кг а.с. почвы.

Аналогичная закономерность прослежена и в многолетнем стационарном опыте. Наряду с тем, что при систематическом ежегодном применении способы обработки почвы оказывали большее влияние на питательный режим чернозема обыкновенного, наибольшее содержание нитратного азота в слое 0–40 см почвы также было при вспашке на глубину 20–22 см (рис. 1).

Рис. 1.

Содержание нитратного азота в слое 0–40 см при различных способах обработки почвы на неудобренном и удобренном фонах (средние за вегетационный период во 2-й ротации севооборота, 1988–1994 гг.): 1 – ежегодная вспашка на глубину 20–22 см, 2 – ежегодная вспашка на глубину 30–32 см, 3 – комбинированная в севообороте, 4 – плоскорезная разноглубинная, 5 – ежегодная безотвальная на глубину 25–27 см. То же на рис. 2, 3. НСР₀₅ частных эффектов: фактор А = 0.5, фактор Б = 0.8 мг/кг.

Увеличение глубины отвальной обработки почвы свыше 25–27 см с перемещением удобрений в более глубокие слои также приводит к существенному снижению содержания нитратного азота и эффективности применяемых удобрений в повышении обеспеченности чернозема обыкновенного азотом. При таком формировании обрабатываемого слоя часть нитратного азота смещается в более глубокие горизонты корнеобитаемого слоя, и, как считают некоторые исследователи, нитратный азот, мигрировавший на глубину более 60 см, считается неэффективным в продукционных процессах для зерновых культур [18].

Применение ежегодной вспашки на глубину 25–27 см, так же как и комбинированной обработки почвы в севообороте (чередование отвальной обработки с безотвальной) с 30%-ным насыщением плоскорезной обработкой на глубину 10–12 см под озимые, обеспечивало нитратный режим чернозема обыкновенного в слое 0–40 см и эффект от внесения удобрений на уровне контрольного варианта – систематической вспашки на глубину 20–22 см.

Фосфор является одним из важнейших элементов минерального питания растений [19]. На данный период более 70% пахотных земель недостаточно обеспечены подвижными фосфатами и нуждаются в кардинальном улучшении фосфатного режима. В настоящее время на поля нашей страны вносят в среднем не более 2 кг Р₂О₅, что в 50 раз меньше, чем в странах Европы [20].

Наряду с тем, что фосфор мало передвигается по профилю почвы, эффект от внесения фосфора с удобрениями в повышении его содержания в почве в краткосрочном опыте был несколько больше при безотвальной и нулевой обработках, где внесенные удобрения концентрировались в поверхностном слое почвы (табл. 1).

По результатам исследований, полученным в многолетнем стационарном опыте при применении удобрений, наиболее высокое содержание подвижного фосфора в слое 0–40 см почвы и наибольший эффект от применения удобрений отмечены при отвальной системе обработки – ежегодной вспашке на глубину 20–22 см, где происходило равномерное распределение гранул минеральных удобрений в слое 0–22 см почвы (рис. 2).

Рис. 2.

Содержание подвижного фосфора в слое почвы 0–40 см в среднем за вегетационный период при различных системах обработки почвы во 2-й ротации 10-польного севооборота на неудобренном и удобренном фонах (1988–1994 гг.). НСР₀₅ частных эффектов: фактор А = 0.7, фактор Б = 0.9 мг/100 г почвы.

Систематическая безотвальная обработка почвы в севообороте не снижала содержание доступного фосфора в черноземе обыкновенном в сравнении со вспашкой на глубину 20–22 см, но уменьшила эффект от применения удобрений, как и увеличение глубины вспашки.

При отвальной системе обработки почвы на глубину 20–22 см отмечена бóльшая эффективность в повышении обеспеченности почвы обменным калием при внесении удобрений (рис. 3). Превышение содержания обменного калия в слое 0–40 см почвы на удобренном фоне над неудобренным составило 34.8%, при ежегодной вспашке на глубину 25–27 см – 28.4, в системе комбинированной обработки почвы в севообороте – 32.8, плоскорезной разноглубинной – 22.0, систематической обработке почвы плугом без отвалов на глубину 25–27 см – 27.0%.

Рис. 3.

Содержание обменного калия в слое почвы 0–40 см в среднем за вегетационный период при различных системах обработки почвы во 2-й ротации 10-польного зернопропашного севооборота на неудобренном и удобренном фонах (1988–1994 гг.). НСР₀₅  частных эффектов: фактор А = 0.6, фактор Б = 0.8 мг/100 г почвы.

Способы и глубина основной обработки почвы определяют размещение органических остатков и вносимых удобрений в обрабатываемом слое почвы, что сказывается на уровне содержания и распределении элементов минерального питания в почвенном профиле и, соответственно, доступности их корням растений. Безотвальные способы обработки почвы (без оборачивания и перемешивания обрабатываемого слоя) приводили к сосредоточению подвижных фосфатов преимущественно в верхней (0–10 см) части пахотного слоя (рис. 4).

Рис. 4.

Дифференциация почвенного профиля по содержанию подвижного фосфора при различных приемах обработки почвы под ячмень на удобренном фоне (1988–1991 гг.), % к слою 0–40 см.

Безотвальные приемы обработки параплау (аналогично плоскорезом и стойками СибИМЭ) на удобренном фоне приводили к увеличению содержания подвижного фосфора в слое почвы 0–10 см по отношению к слою 0–40 см – до 30.7%, а исключение основной обработки – до 32.4%, тогда как при вспашке на глубину 20–22 см количество фосфора в этом слое почвы составляло 26.0% (к слою 0–40 см). Исключение основной обработки, а также безотвальная обработка почвы приводили к уменьшению содержания доступного фосфора в слоях 20–30 и 30–40 см. Аналогичная закономерность прослежена и в содержании обменного калия в почвенном профиле.

Результаты проведенных исследований в модельных микрополевых опытах по изучению влияния глубины заделки и различного распределения минеральных удобрений в пахотном слое на плодородие почвы и урожайность ячменя подтвердили результаты, полученные в краткосрочных и многолетнем стационарном опытах. В почвенно-климатических условиях юго-востока ЦЧР наибольший эффект в повышении содержания элементов минерального питания в почве в течение вегетации от применения минеральных удобрений отмечен при их заделке в слой 7–14 см и при равномерном распределении в слое 0–21 см. Как более глубокая, так и более мелкая заделка удобрений приводили к снижению их эффективности в повышении содержания элементов минерального питания в почве (табл. 2).

При таком размещении удобрений в обрабатываемом слое отмечена и наибольшая урожайность ячменя 2.60 и 2.62 т/га (табл. 3). Наименьшая эффективность от применения минеральных удобрений показана при сосредоточении их в поверхностном слое 0–7 см почвы, в этих условиях получена и наименьшая урожайность ячменя. В среднем за 3 года она составила 2.39 т/га.

Результаты исследований по изучению влияния глубины размещения удобрений в обрабатываемом слое на продуктивность ячменя, полученные в модельном микрополевом опыте, подтвердили основные положения, установленные в предыдущих опытах.

Изучение качества получаемой продукции показало, что наибольшее содержание азота, фосфора, калия и белка в зерне ячменя отмечено при заделке минеральных удобрений в слой 0–14…7–14 см, как это происходило при отвальных способах обработки почвы, где содержание азота в зерне ячменя было максимальным и составляло 2.20%, а также при равномерном распределении их в слое 0–21 см, для которого этот показатель составлял 2.18% (табл. 4).

Более мелкая заделка минеральных удобрений (в слой 0–7 см), так же как и более глубокая (в слой 14–21 см) заделка, при внесении под основную обработку почвы снижали их эффективность в продукционных процессах в почвенно-климатических условиях юго-востока ЦЧЗ. При заделке минеральных удобрений в слой 0–7 см содержание азота и белка в зерне ячменя снижалось на 1.8%, в слой 14–21 см – на 3.6%. При увеличении глубины заделки удобрений отмечено и снижение содержания калия в зерне ячменя – 6.1%. Снижение содержания белка в зерне на 1–2% может показаться несущественным, но увеличение белка в зерне на 1% равнозначно (по сбору белка) повышению урожайности на 6–7 ц/га [21].

Учитывая, что возможность и эффективность потребления элементов минерального питания из почвы связана и с обеспеченностью почвы влагой, размещение гранул минеральных удобрений в более глубоких и влажных слоях пахотного горизонта обеспечивает и лучшее использование элементов минерального питания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Показано, что эффективность применения удобрений зависела от их размещения в корнеобитаемом слое. Способы и глубина основной обработки почвы определяли размещение вносимых удобрений в обрабатываемом слое почвы, что сказалось на уровне содержания и распределении элементов минерального питания в почвенном профиле и доступности их корням растений.

В почвенно-климатических условиях юго-востока ЦЧР наибольший эффект от применения минеральных удобрений N60P60K60 получался при равномерном распределении гранул удобрений в слое 7–21…0–21 см почвы, как это происходит при вспашке на глубину 20–22 см и комбинированной системе обработки почвы в севообороте, построенной с учетом биологических особенностей выращиваемых культур. При таких обработках почвы средневегетационное повышение содержания нитратного азота в слое 0–40 см над неудобренным фоном составляло 1.9–2.5 мг/кг абсолютно сухой почвы, превышение содержания подвижного фосфора – 4.3–2.8 мг/100 г почвы, обменного калия – на 34.8 и 32.8%. Такое размещение минеральных удобрений в обрабатываемом слое обеспечивало наибольший эффект от их применения с получением максимальной урожайности и наилучшего качества продукции при содержании азота в зерне ячменя 2.20–2.18%, белка – 12.5–12.4%.