Агрохимия, 2020, № 2, стр. 3-13

ВВЕДЕНИЕ

Ценной продовольственной культурой в зоне Верхневолжья является овес. Он имеет большое значение при производстве продуктов питания и в животноводстве, где его используют в качестве зеленого корма, фуража, сена, особенно в смеси с однолетними бобовыми культурами (яровой викой и горохом). Смешанные посевы овса с однолетними бобовыми культурами относятся к наилучшим парозанимающим культурам.

В России посевы овса по сравнению с 1990 г. (9.1 млн га) составили в 2002 г. 4.3, в 2013 г. – 3.3 млн га. В 1990 г. урожайность культуры была равна 14.8, в 2002 г. – 15.6, в 2013 г. – 16.4 ц/га. За 2008–2013 гг. урожайность овса менялась от 14.1 до 18.2 ц/га.

В севообороте овес лучше размещать после пропашных (картофеля) или зерновых культур, удобренных навозом, т.к. он потребляет много азота. При размещении овса после озимых, удобренных навозом, при содержании подвижного Р₂О₅ 100–150 мг/кг для достижения урожайности овса 30–45 ц/га рекомендуют дробное применение азотных удобрений – N40–60 до посева и по N40 – в подкормку [1]. Показано, что при применении N100 до посева и N40–60 в подкормку после картофеля, идущего после удобренных озимых, можно получить урожай овса 50–60 ц/га. В работе [2] для получения урожайности овса 30–35 и 38–40 ц/га при нормальных и интенсивных технологиях рекомендуется внесение минеральных удобрений в дозах N70 и N90. В этом случае предшественниками являются озимые и пропашные культуры, под которые рекомендуется внесение органических удобрений 80 т/га. В то же время при высокой стоимости минеральных удобрений следует ориентироваться на наиболее окупаемые дозы.

Цель работы – на основе изучения влияния удобрений на содержание подвижных форм азота, их взаимосвязи с урожайностью серых лесных почв Верхневолжья разработать окупаемые дозы минеральных удобрений под овес, идущий после удобренных навозом озимых (яровых) и пропашных культур.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Многолетний стационарный опыт заложен на серых лесных почвах в 1991–1993 гг. [3]. В опыте на фоне извести изучали эффективность как видов и доз минеральных удобрений, так и доз подстилочного навоза крупного рогатого скота и их взаимодействие. В 1-й и 2-й ротациях наблюдения вели в 8-польном севообороте со следующим чередованием культур: занятой пар (викоовсяная смесь) – озимая рожь – картофель – овес с подсевом трав – травы 1-го года пользования – травы 2-го года пользования – озимая рожь – ячмень; в 3-й и 4-й ротациях – в 7-польном. В нем исключили пропашную культуру, озимую рожь заменили на озимую (яровую) пшеницу.

Схема опыта, варианты: 1 – контроль (без удобрений и извести), 2 – известь по полной гидролитической кислотности (фон), 3 – фон + + Р1K1, 4 –фон + N1P1K1, 5 – фон + N2P2K2, 6 – фон + навоз 1-я доза, 7 – фон + навоз 2-я доза, 8 – фон + навоз 3-я доза, 9 – фон + навоз 1-я доза + + Р1K1, 10 – фон + навоз 1-я доза + N1P1K1, 11 – фон + навоз 1-я доза + N2P2K2, 12 – фон + навоз 2-я доза + Р1K1, 13 – фон + навоз 2-я доза + + N1P1K1, 14 – фон + навоз 2-я доза + N2P2K2, 15 – фон + навоз 3-я доза + Р1K1, 16 – фон + навоз 3-я доза + N1P1K1, 17 – фон + навоз 3-я доза + + N2P2K2.

Почва опытных полей – серая лесная среднесуглинистая с содержанием гумуса 2.9–4.0%, подвижного фосфора (по Кирсанову) – 130–200, обменного калия (по Масловой) – 150–180 мг/кг почвы, рН_КС1 5.1–5.5, Н_г – 3.2–3.5, сумма поглощенных оснований – 19.4–22.3 мг-экв/100 г почвы. В 3-й ротации 7-польного зернотравяного севооборота в вариантах без удобрений содержание подвижного фосфора и обменного калия сохранилось на уровне повышенной степени обеспеченности, в удобренных минеральными удобрениями вариантах – на уровне высокой и очень высокой степени обеспеченности [4].

В начале 1-й ротации провели известкование по полной гидролитической кислотности. На его фоне изучали влияние различных доз подстилочного навоза (0, 40, 60 и 80 т/га), внесенного после уборки однолетних трав, а также минеральных удобрений (без удобрений, фосфорно-калийные, одинарная и двойная дозы NPK) и их сочетания на изменение агрохимических и физико-химических свойств в слое 0–40 см почвы [3]. Во 2–4-й ротациях исследования проводили при последействии извести.

Одинарная доза NPK под зерновые культуры, однолетние и многолетние травы была равна 40 кг/га каждого элемента питания, под картофель – 60, 60 и 80 кг/га, под травы 1-го года пользования азот вносили в дозе 40 кг/га и при двойной дозе NPK [3]. Применяли N_аа, Р_сд (Р_с) и K_х. Фосфорно-калийные удобрения вносили осенью под основную обработку почвы, азотные – весной под предпосевную культивацию под однолетние травы и яровые зерновые, в подкормку озимых и многолетних трав, под картофель – весной под вспашку.

Во 2-й ротации севооборота (2000–2008 гг.) под однолетние травы вместо N40P40K40 и N80P80K80 весной вносили только N_аа в дозах N60 и N75 (РK-удобрения не применяли), а после распашки трав 2-го года пользования (2004–2006 гг.) высевали яровую пшеницу. Доза фосфорно-калийных удобрений под нее составила Р60K60, одинарная доза полного минерального удобрения – N60P60K60, двойная доза – N120P120K120.

В 3-й и 4-й ротациях под озимую пшеницу после трав 2-го года пользования применяли следующие дозы удобрений: Р40K40, N40P40K40, N80P80K80.

Опыт заложен на 3-х полях (закладках) в трехкратной повторности. Площадь делянки 100 м² (20 м × 5 м). Расположение делянок рендомизированное. Агротехника возделывания сельскохозяйственных культур – общепринятая для региона. Фосфорно-калийные удобрения под яровые зерновые (овес, ячмень, пшеницу) вносили осенью поверхностно и заделывали вспашкой на глубину 20–22 см (МТЗ-82, ПЛН-3-35). Весной проводили закрытие влаги зубовыми боронами (МТЗ-82, БЗСС-3). После разбивки опыта на соответствующие делянки согласно схемы опыта поверхностно вносили N_aa, которую заделывали в почву предпосевной культивацией (МТЗ-82, КПН-4). Посев овса с подсевом трав выполняли сеялками СЗТ-3,6. Сразу после посева выполняли прикатывание почвы кольчато-шпоровыми катками (МТЗ-82, 3ККШ-6-1).

По мере необходимости проводили обработки посевов против вредителей (актара 25% в.д.г. – 0.06–0.10 кг/га) и болезней (тилт, к.э. – 0.6–0.8 л/га или альто-супер, к.э. – 0.4–0.5 л/га) [2].

В 1-й и 2-й ротациях севооборота учет урожайности овса выполняли комбайном Сампо-500 с учетной площади 44 м², в 3-й и 4-й – парцеллярным способом. В последнем случае с каждой делянки в 4-х местах отбирали снопы с площадки (парцеллы) 1 м². Урожайность овса рассчитывали на стандартную влажность 14%.

Во всех 4-х ротациях солому зерновых культур при сплошной уборке комбайном измельчали и запахивали. Солому овса просто измельчали.

Агрохимические анализы почвы и растений выполняли по методикам, изложенным в работе [5]. Подвижный фосфор в почве определяли по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО, обменный калий – по методу Масловой, нитратный азот – потенциометрическим методом с помощью ион-селективного электрода на нитраты, аммонийный азот – фотоколориметрическим методом в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26489). Статистическую обработку результатов проводили с использованием программ STAT VIUA и EXCEL.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В 1-й ротации 8-польного севооборота (1993–1996 гг.) (табл. 1) при варьировании гидротермического коэффициента (ГТК) от 1.05 до 1.48, суммы осадков за период вегетации от 239 до 326 мм (табл. 2), суммы активных температур от 1731 до 2253°С средняя урожайность зерна овса в вариантах без удобрений варьировала от 25.6 до 27.1 ц з.е./га (от 32.0 до 33.9 ц зерна/га) (табл. 3). Рост ГТК с 1.28 до 1.55 и среднегодовых осадков с 275 до 353 мм во 2-й ротации (2001–2004 гг.) способствовали увеличению средней урожайности овса в соответствующих вариантах с 25.6–27.1 до 33.8–34.3 ц з.е./га (до 42.2–42.9 ц зерна/га). Это совпадало с отзывчивостью этой культуры на увлажнение.

В соответствии с величинами ГТК изменялась средняя урожайность овса в 3-й и 4-й ротациях, идущего после зернового предшественника, удобренного в занятом пару. Определяющее влияние на среднюю продуктивность овса в ротациях севооборотов в неудобренных вариантах оказала величина ГТК (уравнение 1):

где 1.55 > х > 1.17 – средний за ротацию гидротермический коэффициент в вегетационный период возделывания овса (табл. 1), У – средняя продуктивность овса в соответствующей ротации севооборота в вариантах 1 и 2 (табл. 3), ц з.е./га.

Известно [3], что в отсутствие обменного алюминия в токсичных для растений концентрациях (<3–5 мг/100 г почвы) корневые системы возделываемых культур на серых лесных почвах ополья могут проникать в подпахотные горизонты и использовать из них влагу и элементы питания. Это отмечено и для овса. Показано (табл. 1, 2), что в более влажные годы (2002–2004 гг.) средние размеры потребления влаги из слоев 40–100 см варьировали от 24 до 31 мм. Однако в засушливые 2001–2002 гг. 2-й ротации севооборота поглощение влаги из указанных слоев изменялось от 43 до 51 мм. Наиболее высокие средние и максимальные размеры потребления влаги овсом наблюдали в 3-й ротации 7-польного севооборота при среднем ГТК = 1.17.

В засушливые годы (2009–2011 гг.) установлены и наиболее высокие величины расхода влаги на создание 1 ц з.е. (8.7–13.5 мм/ц з.е.). При ГТК = = 1.32 наблюдали более эффективное использование выпадающих за вегетационный период осадков и запасов почвенной влаги (6.0–8.1 мм/ц з.е.). При большем увлажнении (2002–2004 гг.) размеры использования влаги на создание 1 ц з.е. основной продукции вновь возрастали. Применяемые удобрения, особенно полное минеральное, обеспечивали более экономичное расходование влаги на создание 1 ц з.е. основной продукции (табл. 2).

В соответствии с погодными условиями урожайность этой культуры в 7-польном севообороте по сравнению с 8-польным севооборотом в вариантах без применения удобрений снизилась с 30.0–30.4 до 26.6 ц з.е./га. Однако в вариантах с применением полного минерального удобрения и сочетания его с последействием органических удобрений она не уменьшилась или несколько возросла. В итоге практически во всех вариантах окупаемость 1 кг д.в. минеральных удобрений прибавкой зерна овса (кг з.е.) в 3-й и 4-й ротациях была больше, чем в 1-й и 2-й.

Как на фоне последействия органических удобрений, так и при самостоятельно внесенном полном минеральном удобрении наиболее окупаемым было применение его одинарной дозы. На фоне внесения органических удобрений окупаемость минеральных удобрений была заметно больше, чем одних минеральных. Например, в 1-й и 2-й ротациях 8-польного севооборота средняя окупаемость 1 кг д.в. полного минерального удобрения N40P40K40 прибавкой урожая овса составила 6.5 кг з.е. На фоне разных доз навоза для этой дозы NPK она возросла до 7.2–8.8 кг з.е./кг д.в. В 3-й и 4-й ротациях этот показатель в вариантах с последействием навоза возрос до 10.2–10.8 при 8.0 кг з.е./кг д.в. без навоза. Окупаемость одних фосфорно-калийных удобрений и двойной дозы NPK была существенно более низкой, чем одинарной дозы NPK.

Корреляционно-регрессионный анализ подтвердил решающее влияние азота минеральных и органических удобрений на урожайность овса (табл. 4). На последействие органических, действие азота минеральных удобрений и их сочетания приходилось от 73 до 98% вариации урожайности этой культуры. При этом установлено, что положительное действие и последействие навоза на продуктивность возделываемых культур севооборотов было обусловлено преимущественно улучшением их азотного питания [6, 7].

В связи с этим были обобщены данные о динамике содержания нитратного и аммонийного азота как в течение вегетации овса, так и в ротациях севооборотов, изучена взаимосвязь их запасов с урожайностью культуры (табл. 5). Представлены данные о влиянии удобрений на запасы разных форм азота в серой лесной почве в течение вегетации овса за 1-ю и 2-ю ротации 8-польного севооборота. В вариантах контроля и фона известкования в слое 0–40 см почвы запасы нитратного азота в ранний период вегетации (всходы овса) составляли 59–68 кг/га. Применение РK-удобрений не изменяло их, а внесение возрастающих доз NPK (варианты 4, 5) повысило запасы нитратного азота до 128 и 211 кг/га соответственно. На 2-й год последействия (после картофеля) навоз слабее увеличивал запасы этой формы азота (с 59–68 до 64–78 кг/га). Сочетание последействия органических удобрений с внесением N40P40K40 по сравнению с одними минеральными удобрениями обеспечивало рост запасов N-NO₃ со 128 до 148–150 кг/га. При сочетании двойной дозы NPK с последействием навоза по сравнению с одними минеральными удобрениями этот показатель не увеличивался.

К периоду выметывания метелки из-за интенсивного потребления нитратов запасы этой формы азота закономерно снижались во всех вариантах опыта (до 14–81 кг/га), к уборке вновь несколько возрастали (до 31–83 кг/га). Размеры снижения запасов N-NO₃ от всходов до выметывания метелки варьировали от 58 до 82%.

Запасы аммонийного азота в слое 0–40 см почвы во время всходов варьировали от 114 до 146 кг/га. К периоду выметывания метелки они снижались в вариантах опыта всего на 11–22%, вновь увеличивались после уборки овса. Очевидно, снижение запасов аммонийного азота от всходов до выметывания метелки происходило за счет поглощения ионов аммония из жидкой фазы почвы. При этом долю снижения запасов нитратного и аммонийного азота в жидкой фазе в каждом варианте опыта считали одинаковой и равной снижению запасов нитратного азота за указанный период. Следовательно, разделив размеры снижения запасов аммонийного азота от всходов до выметывания метелки на долю снижения запасов нитратного азота, получили средние исходные запасы аммонийного азота в жидкой фазе в период всходов овса. Суммируя эти запасы с запасами нитратного азота в период всходов, получили запасы азота в жидкой фазе в ранний период вегетации овса, т.е. мобильный фонд азота (МФ_N).

Такие же расчеты выполнены и для 3-й и 4-й ротаций 7-польного зернотравяного севооборота (табл. 6), когда овес высевали после удобренных навозом озимых (яровых) культур. Для 7- и 8-польного севооборотов получены близкие размеры снижения запасов N-NO₃ за период всходы–выметывание метелки. Но для 7-польного севооборота наблюдали более высокие относительные размеры снижения запасов N-NH₄ (за исключением вариантов 6–9, 12 и 15). В последних вариантах испытывали последействие органических удобрений и их сочетание с РK-удобрениями. В 7-польном севообороте запасы нитратного и аммонийного азота в ранний период вегетации овса были более низкими, чем в 8-польном севообороте. Более низкие запасы N-NH₄ способствовали повышению коэффициентов их использования овсом. Лишь в вариантах 6–9, 12 и 15 минерализация навоза 1-го года последействия вела к пополнению запасов N-NH₄, что снижало размеры уменьшения их запасов во 2-й срок наблюдений по сравнению с 1-м.

Показано, что аммонийная составляющая мобильного фонда азота (запасы N-NH₄) в жидкой фазе серой лесной почвы при применении азотных удобрений была в несколько раз меньше нитратной составляющей МФ_N, что свидетельствовало о решающей роли запасов нитратного азота в получении высоких урожаев овса.

В работах [3, 6, 7] было установлено, что средняя продуктивность севооборота по степенной или гиперболической зависимостям увеличивалась с ростом средних запасов нитратного азота в ранний период вегетации возделываемых культур и мобильного фонда азота. Поэтому была изучена возможность описания взаимосвязи средней продуктивности овса в 8- и 7-польном севооборотах со средними запасами нитратного азота в слое 0–40 см почвы в ранний период вегетации и величинами МФ_N.

Для 8-польного севооборота ≈85% вариации урожайности овса приходилось на изменение запасов нитратного азота в слое 0–40 см почвы и ≈91% – на изменение мобильного фонда азота (рис. 1, 2). В 7-польном севообороте 95% вариации урожайности овса было обусловлено запасами нитратного азота и для 11-ти вариантов 98% вариации – мобильным фондом азота.

Для вариантов с последействием органических удобрений и сочетанием их с РK-удобрениями для одних и тех величин МФ_N получена более высокая урожайность овса (рис. 2), чем следует из установленной степенной зависимости от указанного показателя. Как уже было выше сказано, это обусловлено повышающим урожайность овса дополнительным поступлением минерального азота за счет минерализации навоза, внесенного под предшественник.

Для оценки эффективности использования растениями элементов питания удобрений применяют балансовый коэффициент (К_б) их использования [4]. Он представляет отношение выноса элемента питания возделываемой культурой к дозе его внесения с удобрением. При К_б = 1 элемент питания используется полностью, при К_б >1 происходит дополнительное поглощение его из почвы, что ведет к снижению ее плодородия; при К_б <1 наблюдается обогащение им почвы. Эти же положения верны и для мобильного фонда азота, который выступает в качестве дозы азота, формирующейся в ранний период вегетации культуры.

Показано (табл. 7), что в вариантах без внесения азотных удобрений или навоза (варианты 1–3) МФ_N, созданный в начале вегетации овса, был недостаточен для обеспечения полного выноса азота урожаем. Особенно заметно это выявлялось при последействии органических удобрений (варианты 6–8) и их сочетании с РK-удобрениями (варианты 9, 12, 15). Это указывало на то, что недостающиеся количества азота овес поглощает в процессе вегетации из почвы, в которую он поступает в результате трансформации органических форм азота в минеральные. Однако закладка репродуктивных органов овса происходит в ранние фазы его вегетации. Поэтому недостаток азота в этот период препятствует значительному росту урожайности культуры и соответственно выносу ей азота. Например, без применения азотных удобрений вынос азота овсом изменялся от 80 до 85 кг/га, в вариантах последействия навоза – от 95 до 108 кг/га, а при сочетании последействия органических с РK-удобрениями – от 96 до 114 кг/га.

При применении полного минерального удобрения и сочетании его с последействием органических вынос азота увеличивался до 113–165 кг/га. В этом случае отношение выноса азота основной и побочной продукцией к мобильному фонду азота было <1.1.

В работах [3, 6] в целом для севооборота установлено оптимальное отношение выноса азота культурами к величине МФ_N, которое находилось в пределах 0.95–1.29. Однако для овса оно было >0.97, но <1.10. Оно обеспечивалось применением под овес дозы N40P40K40 и сочетанием этой дозы NPK с последействием навоза. Бездефицитный баланс элементов питания должен устанавливаться в целом за ротацию севооборота [8].

В настоящее время широко применяют экспресс-метод определения нитратного азота, с ростом запасов которого в почве увеличивается урожайность овса (рис. 2), с помощью ион-селективного нитратного электрода. Поэтому определили и оптимальное отношение выноса азота основной и побочной продукцией к запасам нитратного азота в ранний период вегетации овса (слой 0–40 см почвы). Оно было >1.23, но <1.43 (табл. 7), что следует учитывать при почвенной диагностике минерального питания овса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, на серых лесных почвах Верхневолжья в течение 4-х ротаций 8- и 7-польного севооборотов изучено влияние действия минеральных удобрений под овес, идущий после зерновых и пропашных культур с разным уровнем применения навоза, на урожайность зерна овса и запасы минеральных форм азота в слое 0–40 см почвы. Выявлена решающая роль азота, вносимого в составе NPK, и последействия органических удобрений на его урожайность. При высокой и очень высокой степени обеспеченности почвы подвижным фосфором и обменным калием она проявлялась через увеличение в почве в ранний период вегетации овса запасов нитратного и аммонийного азота в жидкой фазе, сумма которых представляла мобильный фонд азота. Между урожайностью овса и запасами нитратного азота в слое 0–40 см почвы в этот период установлена тесная степенная зависимость. Такая же связь отмечена между первым показателем и мобильным фондом азота.

На серых лесных почвах Верхневолжья при применении дозы N40P40K40 окупаемость 1 кг д.в. была более высокой (6.5–8.0 кг з.е./кг д.в.), чем при использовании двойной дозы NPK (3.8–5.5 кг з.е./кг д.в.) и одних фосфорно-калийных удобрений (1.5–2.2 кг з.е./кг д.в.). После удобренных навозом предшественников окупаемость 1 кг д.в. N40P40K40 повышалась с 6.5–8.0 до 7.2–10.8 кг з.е.