Агрохимия, 2020, № 8, стр. 60-69

ВВЕДЕНИЕ

Азот, наряду с углеродом, водородом и кислородом входит в группу элементов-органогенов. Он является важной составной частью белка растений и животных. “… Если не говорить о воде, то именно азот является самым могущественным двигателем в процессах развития, роста и творчества природы, его уловить, им овладеть – вот в чем задача, его сберечь – вот в чем путь к экономике; подчинить себе его источник, бьющий с неистощимой энергией – вот в чем тайна благосостояния.” [1]. Это напутствие Д.Н. Прянишникова явилось основополагающим в научно-исследовательской работе по изучению и рациональному использованию азота почвы, органических и минеральных удобрений, симбиотического азота в биологизированных севооборотах.

Новизна исследований оптимизации использования минерального и биологического азота, издавна относящихся к числу основных проблем биологической науки, заключается в том, что они охватывают довольно контрастные почвенно-климатические зоны страны и приоритетные источники азотного питания растений, предлагают биологические, экологические приемы эффективного управления этим процессом, получение добавочной продукции растениеводства.

Цель работы – разработка биологических приемов эффективного использования азота почвы, удобрений, симбиотической азотфиксации в полевых агроценозах.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проводили с 1965 по 2019 гг. на лугово-бурых и буро-подзолистых тяжелосуглинистых почвах Приамурья (ДальНИИСХ), на мощных слабовыщелоченных среднесуглинистых черноземах левобережной лесостепи Украины (Сумская ГОСХОС) и дерново-подзолистых супесчаных почвах Мещерской низменности (ВНИИОУ), которые существенно различались не только по генезису, физическим свойствам, но и агрохимическим показателям пахотного слоя (табл. 1).

Почвы Приамурья и черноземы лесостепи Украины характеризовались более высоким содержанием гумуса, общего и гидролизуемого азота. Их содержание в дерново-подзолистых почвах было низким [2]. Наряду с хорошей гумусированностью почвы Приамурья отличались высокой кислотностью и крайне низким содержанием подвижных форм фосфора, что было связано с большим содержанием в них полуторных окислов железа и алюминия [3]. Реакция почвенной среды черноземов была близка к нейтральной, дерново-подзолистых почв – слабо кислая. Содержание подвижного фосфора в этих почвах было соответственно повышенным и средним, калия – средним. Тяжелосуглинистые почвы Приамурья имели повышенное содержание калия и, как правило, слабо нуждались в калийных удобрениях.

Климатические условия регионов (табл. 2), особенно по количеству осадков в течение вегетационного периода, довольно контрастны. Их значительное количество, особенно во 2-й половине вегетации растений, отмечено в Приамурье, что связано с интенсивным выпадением муссонных дождей со 2-й декады июля и по 1-ю декаду сентября, это часто приводило к сильному переувлажнению почвы, вымыванию из нее подвижных форм органического вещества, азота и других элементов питания [4], гибели растений [5]. Почти в 2 раза меньше выпадает осадков в лесостепной зоне Украины и 1.5 раза – в условиях Мещерской низменности. При этом в 2-х последних регионах осадки в течение вегетации выпадают относительно Приамурья равномерно. Приоритет прихода тепла за вегетационный период отмечен в Приамурье и лесостепной зоне Украины. Наиболее теплыми во всех зонах являются июнь–август, но раньше наступает весна и длинней период активной вегетации в зоне черноземных почв.

Опыты предусматривали изучение приемов эффективного использования культурными растениями азота почвы, органических, минеральных удобрений и симбиотической азотфиксации. Исследование проводили в полевых и лабораторных опытах специального назначениия и как сопутствующие эксперименты в опытах с различными видами и формами удобрений. Величина опытных делянок – от 35 до 2000 м², повторность трех–четырехкратная. В почве опытов изучали динамику биологической активности [6], агрохимические исследования почв, удобрений, лизиметрических вод в основном выполняли по Петербургскому [7], Аринушкиной [8], Минееву [9], методическим указаниям ВАСХНИЛ [10] и соответствующим ГОСТам. Также проводили лизиметрические исследования миграции почвенного раствора [11, 12], накопление симбиотического азота бобовыми культурами [13]. Статистическую обработку результатов исследования проводили по [14]. Агротехника в опытах – общепринятая для соответствующих регионов проведения исследования [15–17].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Синтез и минерализация гумуса, интенсивность разложения растительных остатков, динамика содержания солей почвенного раствора, а в связи с этим и корневое питание растений во многом зависят от жизнедеятельности микроорганизмов и биологической активности почвы. Наиболее распространенными методами ее определения являются чашечный метод путем учета микроорганизмов на различных питательных средах, газоаналитический, основанный на определении дыхания почвы путем учета СО₂, химический – за счет показателей нитратонакопления в почве. Наши исследования [18] показали, что эти методы позволяют изучать активность почвенной микрофлоры на момент отбора образца почвы, что не отображает ее состояние во времени. Этот недостаток сглаживается путем определения биологической активности почвы методом аппликаций [6], который был использован в нашем исследовании. Результаты, полученные этим методом, и их динамика тесно коррелировали с содержанием подвижных форм азота в почве.

Биологическая активность существенно зависела от гидротермических условий вегетационного периода (рис. 1). Более благоприятные условия для биологической активности складываются во второй половине июня–июле, но со второй половины июля–августе и начале сентября выпадает большое количество осадков, отмечается переувлажнение почвы, что резко усугубляет жизнедеятельность микрофлоры почвы.

Рис. 1.

Динамика биологической активности буро-подзолистых почв в зависимости от гидротермических условий, % разложения льняной ткани.

Максимум биологической активности других изученных почв также был приурочен к июню–июлю, но он не показал столь резких изменений как в почвах Приамурья (рис. 2).

Рис. 2.

Биологическая активность пахотного слоя изученных почв.

Относительно низкой была биологическая активность пахотного слоя черноземов. Это связано с иссушением верхних слоев почвы и перемещением биологической активности в подпахотные горизонты глубиной до 60 см, тогда как в других изученных почвах сфера их биологической активности в основном была ограничена пахотным горизонтом.

Выявлена довольно тесная зависимость с биологической активностью динамики содержания нитратов в почвах в течение вегетационного периода. Максимум их содержания был приурочен к июню–июлю (рис. 3). Подобные показатели биологической активности (рис. 2) и содержания нитратов в почве (рис. 3) были благоприятными для оптимизации питания яровых зерновых культур, у которых максимум потребления азота приурочен к середине лета.

Рис. 3.

Динамика содержания нитратного азота в почвах за вегетационный период.

У пропашных культур (картофеля, кукурузы) наибольшая потребность в азоте приходится на конец июля–август, у сои – на август–сентябрь (рис. 4), когда содержание азота в почве далеко от оптимальных потребностей этих культур. Эти результаты являются ключевыми для оптимизации использования подвижных форм азота почвы и технологических решений рационального применения азотных удобрений.

Рис. 4.

Динамика выноса азота биомассой культур с урожайностью: зерна ячменя – 40, клубней картофеля – 250, зеленой массы кукурузы – 500, бобов сои – 20 ц/га.

Особенно контрастно роль почвенного азота и эффективные подходы к рациональному применению азотных удобрений проявились в полевом опыте на лугово-бурых почвах (табл. 3). Яровая пшеница при невысоком потенциальном урожае не реагировала на азотные удобрения, то же отмечено и в посевах кукурузы, т.к. азот минеральных удобрений ко времени интенсивного потребления культурой был вымыт из почвы. Из-за низкого содержания фосфора в почве обе культуры хорошо отзывались на фосфорное удобрение, а кукуруза, кроме этого, – на применение подстилочного навоза, в котором азот был более устойчив к вымыванию осадками.

Большой интерес представляет не только приспособление пищевого режима фитоценозов к динамике подвижных форм азота, но и управление его содержанием в почве во времени, что достигается за счет биологической инактивации азота и последующей активизацией при разложении органического вещества с высоким содержанием углерода, в частности соломы злаковых культур (рис. 5).

Рис. 5.

Влияние соломы яровой пшеницы на динамику содержания нитратного азота в пахотном слое буро-подзолистой почвы под посевами сои.

Для этого исследование проводили на буро-подзолистой почве в звене полевого севооборота яровая пшеница–соя, в качестве инактиватора подвижных форм азота использовали измельченную (4–7 см) солому яровой пшеницы 5 т/га, заделанную в конце июля тяжелыми дисками БДТ-3 в верхний слой почвы до 10 см и затем запаханную в середине августа под зябь на глубину 20–22 см. Весной в первой декаде мая пашню культивировали и перед посевом сои во 2-й декаде мая провели боронование тяжелыми боронами.

Азот, связанный соломой в период максимальной биологической активности почвы, служил источником питания растений во 2-ю половину вегетации сои, что отразилось на показателях ее урожайности (табл. 4).

Эффективность чистой соломы в опыте была равноценна ее сочетанию с минеральными удобрениями. Положительное влияние полного минерального удобрения на урожайность сои было связано с наличием в его составе фосфора.

Во всех изученных зонах культуры с приоритетом потребления азота во 2-й половине вегетации хорошо отзывались и на другие органические удобрения, кроме соломы (табл. 5).

В 3-польных звеньях севооборотов с кукурузой и картофелем получен одинаковый прирост продукции от применения подстилочного соломистого навоза КРС, бесподстилочного полужидкого навоза КРС, соломы, сочетания соломы с бесподстилочным навозом, дозы которых были выравнены по содержанию азота в подстилочном навозе в дозе 40 т/га. Более высокая эффективность удобрений отмечена на дерново- и буро-подзолистой почвах, выход продукции за звено севооборота был максимальным на черноземных и дерново-подзолистых почвах. Весьма важно, что в опыте определили вариант эффективного использования бесподстилочного навоза и соломы: их совместное применение, что выгодно не только в экономическом плане, но и сохранении азота навоза и снижении его негативного влияния на окружающую среду.

Повысить эффективность использования азота и других удобрений можно путем внесения их в биологически активный слой почвы пахотного горизонта, определение которого методом аппликаций показано на примере буро-подзолистых почв Приамурья (рис. 6). Показано, что более высокая биологическая активность буро-подзолистых почв в течение вегетационного периода приурочена к слою 10–15 см. Аналогичным путем установлена зона максимальной биологической активности для лугово-бурых почв – 5–15 см, мощных черноземов – 10–20 см, дерново-подзолистых супесчаных почв – 5–15 см.

Рис. 6.

Биологическая активность почв в профиле пахотного горизонта.

Использование полужидкого навоза КРС 80 т/га под кукурузу на силос четко выявило приоритет глубины его внесения (табл. 6). В опыте навоз вносили вручную ведрами на взрыхленную путем боронования поверхность почвы и заделывали на глубину 10–15 см двукратным дискованием БДТ-3, на глубину 5–15 см – однократным дискованием с последующей культивацией с боронованием, на глубину 10–20 см – запашкой плугом с предплужником, на 15 см – последующими культивацией с боронованием. Навоз, внесенный в биологически активные слои почвы, способствовал существенному увеличению содержания нитратов в пахотном слое и достоверному приросту урожая зеленой массы кукурузы.

Д.Н. Прянишников [1], рассуждая о рациональном применении минеральных удобрений, считал, что в системе удобрения они должны исправлять недостатки органических удобрений. Это мнение подтвердилось в нашем опыте на черноземных почвах (табл. 7). Без органических удобрений наибольший урожай 472 ц/га получен при дозе минерального удобрения (NPK)120 (100%), от сочетания подстилочного и бесподстилочного навоза с минеральными удобрениями – 596 ц/га (126%), соломы – 583 ц/га (124%), сочетания соломы с бесподстилочным навозом – 609 ц/га (129%), сидератов рапса – 578 ц/га (122%). Обычно органо-минеральную систему удобрения рассматривают как сочетание органического и полного минерального удобрения, но как показали данные исследования, с подстилочным навозом КРС более экономически выгодно применение полного минерального удобрения с низким дозами элементов питания, с бесподстилочным навозом КРС достаточно внесения низких доз фосфора, соломой – средних и высоких доз азота. Сочетание соломы с бесподстилочным навозом и сидераты капустных культур более эффективны с низкими дозами полного минерального удобрения. Дополнительно к вышесказанному нужно отнести применение бесподстилочного помета и торфопометных компостов, которые для оптимизации эффективности нуждаются в небольших дозах калийных удобрений. Характерно, что в органо-минеральной системе удобрения коэффициенты усвоения элементов питания растениями из органических удобрений возрастают.

Наибольшие потери азота почвы и удобрений от вымывания отмечены в чистых парах, значительно они снижаются в севооборотах под полевыми культурами [4] и при внесении минеральных и органических удобрений под удобряемые растения через промежуточные сидераты. В данном случае, кроме снижения потерь азота, заметно возрастает эффективность удобрений [2, 19].

В опыте на дерново-подзолистых почвах при внесении полного минерального удобрения (NPK)120 под сидераты редьки масличной, запаханной под озимую рожь, прибавка урожая зерна составила 11.2 ц/га, в случае непосредственного применения удобрений под рожь – 5.7 ц/га. Дополнительный урожай зерна от данного агроприема достиг 5.5 ц/га. Другой опыт проводили в 5‑польном севообороте однолетние травы–картофель–яровое тритикале–овес–горчица белая на семена. Навоз КРС подстилочный в дозе 60 т/га использовали под картофель осенью в сентябре под зябь, весной в мае под перепашку зяби и в конце июня под промежуточные сидераты горчицы белой. Во всех вариантах с навозом весной под культивацию перед нарезкой гребней вносили НФК из расчета (NPK)90. Контролем служил вариант без удобрений. Традиционные способы внесения навоза увеличили продуктивность севооборота на 25%, внесение навоза под укосные сидераты – на 53%.

В системе удобрения при биологизации земледелия ведущим компонентом является биологический азот. На дерново-подзолистых супесчаных почвах коллективом лаборатории сидератов (М.Н. Новиков, Л.Д. Фролова, Л.И. Ермакова, В.Н. Баринов) в результате научных исследований выявлен ряд приемов эффективного использования в агроценозах симбиотического азота бобовых культур (табл. 8). Разработанные приемы повышения продуктивности растений за счет биологического азота в большинстве случаев имели высокую экономическую эффективность, положительно влияли на содержание белка в продукции, способствовали повышению обеспечения кормов переваримым протеином, положительно влияли на плодородие почв и фитосанитарное состояние биоценозов.

ВЫВОДЫ

1. Длительные исследования в различных почвенно-климатических зонах страны выявили динамику содержания подвижных форм азота в почвах во времени, что позволило путем подбора соответствующих фитоценозов максимально использовать этот азот как удобрение, предохранить, или значительно снизить его вымывание и денитрификацию.

2. Управление содержанием подвижного азота в почве для оптимизации питания растений возможно путем биологической инактивации его с последующей активизацией за счет использования в качестве удобрения органических веществ с широким отношением углерода к азоту.

3. Из органических удобрений в органо-минеральной системе более требовательны к азотному компоненту слаборазложившийся соломистый навоз, солома злаковых и сидераты капустных культур. Сидераты бобовых растений, бесподстилочые навоз и помет в азоте не нуждаются.

4. Повышение эффективности использования азота минеральных и органических удобрений достигается путем внесения их под удобряемые растения в биологически активный слой пахотного горизонта и под промежуточные сидераты капустных культур.

5. Разработан ряд агроприемов рационального применения биологического азота бобовых культур в полевых и кормовых севооборотах.