Агрохимия, 2020, № 7, стр. 47-56

ВВЕДЕНИЕ

Утилизация органических отходов, которых ежегодно образуется в России ≈3.5 млрд т, является одной из важных проблем современной науки и практики. Общая площадь свалок в стране неуклонно растет и уже превысила 2.5 тыс. км². Красноярский край в этой связи – не исключение: ежегодные объемы накопления опилок в регионе достигают 500 000 т, птичьего помета – ≈346 000 т. Загрязнение ими приводит к ухудшению экологического состояния почв. В то же время опилки характеризуются высоким содержанием органического вещества (95%), но низким – элементов минерального питания (N – 0.18, P₂O₅ – 0.01, K₂O – 0.02%), слабокислой реакцией среды (рН$_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}$ 5.5). Птичий помет, наоборот, обогащен элементами минерального питания (N – 2.90, P₂O₅ – 2.94, K₂O – 1.08%), рН$_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}$ 8.3. Высокие объемы накопления этих отходов и взаимодополняемость их химического состава определяют возможность их использования в качестве субстрата для переработки методом вермикультуры, позволяющей утилизировать органические отходы с получением вермикомпоста, увеличивающего плодородие почв, урожайность культур и качество выращиваемой продукции. Почвы Красноярской лесостепи имеют отрицательный баланс гумуса, макро- и микроэлементов, поэтому внесение вермикомпоста представляется важным направлением увеличения их плодородия. Однако многие аспекты рационального применения вермикомпоста под картофель в регионе недостаточно изучены. Поэтому цель работы – оценка действия возрастающих доз вермикомпоста на плодородие агрочернозема, урожайность и качество клубней картофеля.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Учебно-научный комплекс ”Борский“ Красноярского ГАУ, где в 2016–2018 гг. проводили полевые исследования, расположен в Сухобузимском р-не Красноярского края (56°N, 92°E). На этой территории выпадает в среднем 350–450 мм осадков в год. Среднегодовая температура воздуха изменяется от 0.5 до 1.3°С, иногда понижаясь до –2°С. Сумма активных температур составляет 1550–1800°С, почва промерзает на глубину 1.5–3.0 м. Период биологической активности варьирует от 90 до 115 сут, климат – резко континентальный. Гидротермические условия лет исследования складывались по-разному. Сумма осадков за вегетационный период (май–август) по годам варьировала от 94 до 208 мм (среднемноголетняя норма – 207 мм). По условиям влагообеспеченности и температурному режиму вегетационные периоды 2016 и 2018 гг. соответствовали недостаточному увлажнению (ГТК = = 0.5–0.8) и резко отличались от многолетних показателей более высокими показателями температуры в июне и июле и низкими показателями количества осадков в июне и августе. Вегетационный период 2017 г. характеризовался оптимальным увлажнением (ГТК = 1.1).

В полевых опытах апробировали вермикомпост (ВК), для получения которого использовали крупнотоннажные отходы деревообрабатывающей промышленности (опилки) и сельского хозяйства (птичий помет). Оба компонента смешивали в соотношении 1 : 1 и предварительно компостировали в течение 3-х нед. В качестве наполнителя-структурообразователя использовали до 25% почвы, перемешивали все компоненты и заселяли червями, предварительно проверив эту смесь на токсичность. Вермикомпостирование происходило в течение 3-х мес. Полученный вермикомпост содержал 20.3% органического вещества (ГОСТ 27980-88), 1.3% общего азота (ГОСТ 26715-85), 2.9% общего фосфора (ГОСТ 26717-85), 0.98% калия (ГОСТ 26718-85), 330 мг N-NH₄/кг (ГОСТ 26716-85), 902 мг N-NО₃/кг, подвижного фосфора – 23 000 мг/кг, обменного калия – 2950 мг/кг, имел pH$_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}$ 7.1 (ГОСТ 27979-88).

Действие вермикомпоста на агрохимические свойства почвы и урожайность картофеля исследовали в полевом мелкоделяночном опыте по следующей схеме, варианты: 1 – контроль (без удобрений), 2 – ВК 3 т/га, 3 – ВК 5 т/га, 4 – ВК 7 т/га. Повторность опыта четырехкратная, расположение делянок последовательное. Площадь опытной делянки – 10 м². Вермикомпост вносили в почву весной вручную перед посадкой картофеля. В опытах использовали среднеспелый сорт картофеля Арамис категории супер-суперэлита, созданный методом ступенчатой гибридизации с привлечением в скрещивания дикого вида картофеля Solanum stoloniferum.

Почва опытного участка – агрочернозем глинисто-иллювиальный типичный. Перед закладкой опыта содержание гумуса в почве составляло 7.6%, обеспеченность подвижным фосфором (281 мг/кг) и обменным калием (230 мг/кг) – высокая (V класс). Последнее характерно для почв Красноярского края и является следствием обогащенности калием материнских пород тяжелого гранулометрического состава.

Уборку картофеля проводили вручную с поделяночным взвешиванием клубней в первой декаде сентября. Почвенные образцы отбирали из пахотного слоя в динамике (май–июнь–июль–август), в которых определяли содержание гумуса по методу Тюрина [1], pH$_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}$ – потенциометрическим методом, аммонийный азот – с реактивом Несслера [1], количество нитратного азота – дисульфофеноловым методом в модификации Иодко–Шаркова [2], легко- и трудногидролизуемый азот – методом Корнфилда [3], количество подвижных форм фосфора и калия – методом Чирикова в лаборатории НИИЦ Красноярского ГАУ. Оценку потребительских качеств картофеля (внешний вид клубня, цвет и равномерность окраски мякоти, развариваемость, вкус, потемнение мякоти сырых и сваренных клубней) проводили по методике Ермольева–Задиной [4]. Полученные результаты обработали статистически методами дисперсионного и корреляционно-регрессионного анализов, с использованием программных пакетов “Excel” и “Statistica” [5].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Содержание гумуса служит объективным диагностическим показателем потенциального плодородия почв [6]. В 2016 г. в почве контрольного варианта содержалось минимальное количество гумуса (6.88%), максимальное было равно 8.43, среднее – 7.58%. Агрочернозем, согласно градациям [7], оценивали как сильно гумусированный (табл. 1). Следует отметить, что коэффициент вариации был очень низким. При внесении в почву ВК 3 т/га в 2016 г. и в 2018 г, а в 2017 г. при применении всех исследованных доз удобрения отмечена тенденция к увеличению количества гумуса.

Содержание трудногидролизуемой (N_тг) формы азота в агрочерноземе в контрольном варианте за 3-летний период исследования варьировало в пределах 246–332 мг/кг (табл. 2). В мае 2016 г. количество N_тг достоверно возрастало к контролю при внесении ВК 3 т/га, в августе – при применении ВК 5 т/га. В другие сроки в удобренных ВК вариантах отмечали лишь тенденцию к увеличению этого показателя. В 2017 г. в июне достоверное увеличение содержания трудногидролизуемого азота к контролю наблюдали при внесении ВК 3 и 5 т/га. Следует отметить, что в 2018 г. статистически значимых отличий содержания трудногидролизуемого азота в вариантах не выявили.

Содержание легкогидролизуемого (N_лг) азота в почве в контроле за 3 года варьировало от 182 до 259 мг/кг (табл. 2). В мае 2016 г. при внесении ВК 3 т/га этот показатель увеличился на 13% к контролю, в 2017 г. – уменьшился на статистически значимую величину. Достоверных отличий количества N_лг в эти сроки исследования под действием различных доз вермикомпоста не выявили. Отметили, что соотношение содержаний легкогидролизуемого азота и трудногидролизуемой фракции не превышало 1.

Важным показателем высокого эффективного плодородия почв является наличие в них достаточного запаса необходимых растениям биогенных элементов в доступной форме [8]. В майский период 2016 г. количество N-NH₄ в почве в контроле и в варианте внесения ВК 3 т/га, согласно градациям Гамзикова [9], характеризовалось низкой обеспеченностью (табл. 3). Внесение ВК 5 т/га увеличило этот показатель до среднего уровня, а при применении 7 т/га – до высокой обеспеченности. В динамике в июньский период во всех вариантах опыта в почве был установлен средний уровень обеспеченности аммонийным азотом. В последующий период этот показатель снизился до очень низкого уровня в контроле и низкого в удобренных вермикомпостом вариантах. Уменьшение количества аммонийного азота до первого класса обеспеченности в августе связано с расходом его на формирование клубней картофеля. В 2017 г. количество N-NH₄ варьировало в вариантах опыта от низкого до очень низкого уровня. В майский и июньский период почва характеризовалась очень низкой обеспеченностью этой формой азота во всех вариантах опыта. В 2018 г. содержание аммонийного азота менялось до среднего и высокого уровня в зависимости от варианта опыта.

Низкая обеспеченность нитратным азотом весной (май) была обусловлена низкими температурами в регионе в этот период, снижающими процессы нитрификации, а очень низкая обеспеченность этой формой азота осенью – использованием нитратного азота на формирование урожая картофеля, и возможно, и его вымыванием вниз по почвенному профилю осадками (табл. 3).

В 2016 г. агрочернозем характеризовался высокой обеспеченностью подвижным фосфором (рис. 1а). Применение ВК 3 и 5 т/га привело к изменению класса обеспеченности этого показателя с высокого, отмеченного в контроле, до очень высокого. В динамике (2017–2018 гг.) во всех вариантах опыта сохранилась очень высокая обеспеченность подвижным фосфором (рис. 1б, в). Отмечена лишь тенденция к снижению данного показателя в течение вегетации, что было обусловлено использованием его на формирование урожая картофеля.

Картофель – культура со слаборазвитой корневой системой и относительно продолжительным периодом максимального потребления элементов питания, и ее продуктивность закономерно реагирует на изменение калийного режима почвы [10]. В первый год исследования обеспеченность обменным калием находилась на высоком уровне во всех вариантах (рис. 2а). Очень высокая обеспеченность почвы обменным калием в 2017 г. в начале вегетации (май, июнь) в динамике уменьшилась до высокого класса обеспеченности (рис. 2б). Высокая обеспеченность обменным калием в 2018 г. в майский и июньский период во всех вариантах опыта снизилась до повышенного уровня к августу, что было связано с использованием этого элемента питания на формирование урожая культуры (рис. 2в).

В России картофель по значимости является одной из важных продовольственных культур. Доступность и хорошие вкусовые качества картофеля делают его популярным и востребованным. Красноярский регион по сравнению с другими субъектами федерального округа является одним из крупнейших потребителей товарного картофеля как на душу населения (196 кг/год), так и в валовом выражении [11]. Урожайность и качество клубней – интегральный показатель, формирующийся в процессе выращивания картофеля под действием различных факторов, которые могут ослабить или усилить биологические особенности и возможности культивируемого сорта [12]. В настоящее время отчуждение урожаев сельскохозяйственных культур с полей, проявление эрозионных процессов, выщелачивание биогенных элементов в отсутствие возможности внесения удобрений из-за финансовой нестабильности создали в почве отрицательный баланс органического вещества, макро- и микроэлементов, что требует использования удобрений [13, 14]. Картофель особенно отзывчив на органические удобрения. Однако дозы внесения органических удобрений в среднем в РФ составляют 1 т/га [15], а в Красноярской лесостепи они еще меньше (0.65 т/га), что не обеспечивает сохранения плодородия почв. В связи с этим необходимо увеличивать объемы применения органических удобрений, используя все отходы – резервы органического вещества.

По данным [16], максимальная урожайность сорта Арамис составляет 31.6 т/га на уровне стандарта (Красноярский край). Внесение вермикомпоста в дозах 3, 5 и 7 т/га обеспечило формирование урожайности клубней 42.8–46.2 т/га, что повысило урожайность до 12% к контролю (табл. 4). С увеличением дозы ВК от 3 до 5 т/га формировалась более высокая урожайность по сравнению с контролем. Установлено, что внесение ВК в дозе 5 т/га обеспечило максимальную прибавку 4.8 т/га. Применение ВК 7 т/га привело к снижению урожайности картофеля, что не противоречило литературным данным [17], указавшим, что высокие дозы ВК ингибируют рост культур и снижают их урожайность.

При анализе всего массива экспериментальных данных методом множественной регрессии за период исследования (2016–2018 гг.) наиболее высокие связи урожайности картофеля выявили с содержанием обменного калия, трудногидролизуемого азота и гумуса в почве (табл. 5). Уравнение множественной регрессии, описывающее зависимость урожайности картофеля сорта Арамис от агрохимических показателей, имело следующий вид:

где Y – урожайность картофеля, K₂O – содержание обменного калия в почве, N_тг – содержание трудногидролизуемого азота.

Зная количественные величины указанных агрохимических показателей почвы, можно спрогнозировать урожайность картофеля. Проведенный дискриминантный анализ всех данных за период 2016–2018 гг. без разделения их по годам показал, что удобренные варианты опыта статистически значимо (p < 0.001) различались по сравнению с контролем комплексом таких показателей как урожайность картофеля за 3 года, содержание P₂O₅, K₂O, N_тг, N_лг, N-NO₃, N-NH₄, гумуса (рис. 3). Однако варианты с внесением в почву ВК 5 и 7 т/га достоверно не различались между собой (табл. 6). Поэтому увеличивать дозу внесения вермикомпоста в почву до 7 т/га было нецелесообразно.

Оценку химического состава качественных показателей картофеля сорта Арамис проводили в Красноярской ЗХТ лаборатории. В первый год все исследованные образцы характеризовались средним содержанием крахмала (14.6–16.8%) и низким – редуцирующих сахаров (0.2–0.7%). Количество нитратов в клубнях картофеля изменялось от 140 до 202 мг/кг и не превышало ПДК. При этом установили, что наибольшее повышение показателей качества (сухого вещества, редуцирующих сахаров) без значительного изменения содержания крахмала и нитратов относительно контроля произошли почти во всех вариантах опыта (табл. 4). Накопление нитратов в вариантах оставалось на уровне контроля, кроме варианта ВК 3 т/га, где оно было больше, но не превышало ПДК (250 мг/кг).

По качественным показателям исследованный картофель имел правильную форму и был светло-желтого цвета (табл. 7). Лучшим по показателю равномерности окраски клубня отличался вариант, удобренный ВК 3 т/га. По другим качественным показателям клубней удобренные ВК варианты не различались между собой. Разрез клубня картофеля, выращенного в удобренных вариантах, был умеренно упругий и оценивался как слабо развариваемый, отличался низким количеством отходов. Поверхность картофеля была гладкой, а окраска беловатой, что соответствовало требованиям потребителя.

ВЫВОДЫ

1. Применение вермикомпоста поддерживало содержание гумуса в почве, тенденция к увеличению этого показателя в почве была наибольшей во 2-й год исследования, что связано с гидротермическими условиями этого периода.

2. Внесение вермикомпоста в почву достоверно пополняло запасы азотсодержащих соединений в ней. Соотношение легкогидролизуемого азота относительно трудногидролизуемой фракции не превышало 1 в агрочерноземе. Варьирование количества аммонийного азота было обусловлено процессами трансформации и его использованием на формирование урожая картофеля. Низкая и очень низкая обеспеченность агрочернозема нитратной формой азота в вариантах опыта за весь период наблюдений была связана с вымыванием этой фракции осадками и ее выносом урожаем культуры.

3. Оптимизация фосфатного режима почвы способствовала повышению урожайности картофеля во все периоды наблюдений. Уменьшение в почве обменного калия с высокого уровня весной до повышенной обеспеченности осенью было обусловлено использованием этого элемента питания на формирование урожая картофеля.

4. Максимальная (средняя за 3 года) урожайность картофеля сформировалась при внесении в почву вермикомпоста в дозе 5 т/га, который не ухудшил качественные показатели культуры.

5. Проведенный дискриминантный анализ показал, что варианты опыта (вермикомпост 5 т/га и вермикомпост 7 т/га) статистически не различались по урожайности картофеля в среднем за 3 года и по комплексу агрохимических показателей в почве. В связи с этим увеличение дозы внесения вермикомпоста в почву до 7 т/га при возделывании картофеля было нецелесообразным.

6. Разработанная модель урожайности (Y) картофеля сорта Арамис имеет следующий вид: Y = = 4.247700 + 0.153772 × K₂O – 0.147654 × N_тг + + 7.073772 × гумус и позволяет спрогнозировать урожайность картофеля.