Агрохимия, 2020, № 9, стр. 65-73

ВВЕДЕНИЕ

Необходимость эффективного преодоления современных экологических и экономических вызовов предполагает в числе прочих мер активный поиск возможностей всевозрастающего освоения возобновляемых источников сырья и энергии. На этом пути перспективным направлением является использование продукции растениеводства – биомассы культур с высокими темпами фотосинтетической деятельности. Одну из таких культур – мискантус – достаточно интенсивно возделывают в странах Западной Европы, США, Китае, Индии и др. для получения лигноцеллюлозной биомассы и производных продуктов с высокой добавленной стоимостью [1–3]. Повышенная холодоустойчивость некоторых видов мискантуса делает его перспективным кандидатом для интродукции в континентальные районы России. Однако широкое распространение мискантуса в нашей стране вообще, и в Сибири, в частности, сдерживается недостаточной проработанностью элементов технологии возделывания этой культуры в региональных почвенно-климатических условиях. Имеющиеся литературные данные получены, главным образом, в регионах (странах), существенно отличающихся от Западной Сибири по климату и гидротермическому режиму почв; экстраполяция результатов таких исследований на почвенно-климатические условия сибирского региона не всегда оправдана.

Проведенные в ряде стран исследования показали, что важной особенностью мискантуса является способность его производственных плантаций произрастать на одном месте в течение более 20 лет без существенного снижения продуктивности, высокая интенсивность которой обусловлена специфической организацией фотосинтетической деятельности растения по С4-типу. Особое внимание заслуживает способность этой культуры длительное время произрастать на низкопродуктивных землях, обеспечивая более высокую экономическую отдачу использования данных угодий [4–7].

Вопросы экологической адаптивности мискантуса к сибирским почвенно-климатическим условиям, его влияния на почву и другие компоненты ландшафта на сегодняшний день остаются нерешенными. В этой связи проведение в Сибири исследований средообразующих последствий длительного выращивания мискантуса, мониторинг почвенно-экологического состояния и продуктивности агроценозов этой культуры в процессе их формирования и функционирования имеют большое значение и актуальность.

Цель работы – в стационарных полевых опытах в земледельческой зоне Западной Сибири оценить урожайность и качество продукции мискантуса, а также его влияние на агрохимические свойства почвы при многолетнем бессменном выращивании.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования с разновозрастными посадками мискантуса проводят с 2005 г. по настоящее время на полях экспериментального хозяйства ИЦиГ СО РАН, расположенного в Новосибирском р-не, Новосибирской обл. Почвенный покров территории, на которой в 1970-х гг. было организовано данное хозяйство, представлен серыми лесными и дерново-подзолистыми почвами. Небольшие участки этих почв в естественном, целинном состоянии в настоящее время сохранились по опушкам окружающих поля сосново-березовых и березовых лесов; некоторые их характеристики представлены в табл. 1.

Проведенное в преддверии закладки опытов с мискантусом почвенно-агрохимическое обследование хозяйства показало [8], что длительное сельскохозяйственное использование данных почв привело к существенному истощению их плодородия. Например, содержание гумуса за время эксплуатации почв уменьшилось с 2.3–2.6 до 1.1%, за эти годы, вероятно, была израсходована не только легкоминерализуемая фракция гумусного фонда, но и часть его инертной компоненты.

Климат исследованной территории – среднеконтинентальный, умеренно холодный, умеренно засушливый. Гидротермические условия лет исследования были довольно контрастными. Сумма осадков за май–август варьировала от 110 до 364 мм (среднемноголетняя норма – 214 мм), сумма среднесуточных температур за этот период изменялась от 1759 до 2234°С (среднемноголетняя норма – 1952°С). Условия увлажнения вегетационных периодов, определяемые по гидротермическому коэффициенту Селянинова, складывались следующим образом: 2012 г. был сухим, 2010 и 2011 гг. – засушливыми, 2008 и 2016 гг. – недостаточно увлажненными, 2005–2007, 2009, 2014, 2017–2019 гг. – достаточно увлажненными, 2013 г. – избыточно увлажненным.

В опытах выращивали Miscanthus sacchariflorus сорта Сорановский, выведенный ИЦиГ СО РАН и внесенный в Государственный реестр селекционных достижений (свидетельство № 58540).

Род Мискантус (Miscanthus) принадлежит к подсемейству Просовых (Panicoideae) семейства Злаки (Poaceae). M. sacchariflorus относится к длиннокорневищным травам высотой до 2.0–2.5 м, имеет прямой, жесткий стебель, листья длиной до 60 см характеризуются узкой ланцетно-линейной формой. Соцветие длиной до 25 см представляет собой веерообразную метелку бледно-фиолетового цвета в начале цветения и бело-серого при его завершении. Морфологическое строение подземной части растений M. sacchariflorus представлено мочковатой корневой системой с множеством придаточных корней, узлом кущения и видоизмененным побегом – корневищем. Узел кущения и подземные побеги располагаются на глубине 5–20 см от поверхности почвы. Корни размещаются в слое почвы на глубине от нескольких сантиметров до 1.5 м. Корневища толщиной 4–7 мм имеют округлую или сплюснутую форму.

Фенологические особенности М. sacchariflorus на территории Западной Сибири заключаются в следующем: отрастание побегов начинается поздней весной (начало мая), цветение наступает в конце августа, к концу сентября происходит высыхание и отмирание надземной биомассы, связанное с понижением среднесуточной температуры и первыми заморозками. В целом для М. sacchariflorus характерен полный фенологический цикл развития независимо от погодных условий – всходы (отрастание), начало роста междоузлий, кущение, флаговый лист, цветение, отмирание.

В условиях сибирского региона мискантус размножается исключительно вегетативным способом. В наших опытах корневища высаживали в мае с помощью переоборудованной картофелепосадочной машины СН-4Б (посадочная норма 1.4 т/га) в борозды глубиной 20–25 см, расстояние между бороздами 70 см, далее борозды засыпали, поверхность выравнивали и прикатывали. В год посадки происходило усиленное формирование корневой системы растений и в меньшей степени – надземной биомассы. На 2–3-й год образовывалась ровная плантация растений высотой до 2.5 м. Мискантус убирали сплошным скашиванием (трактор МТЗ-82 с косилкой КИР-1.5) обычно в начале октября, при появлении заморозков и высыхании надземной биомассы, урожай учитывали выборочно с помощью рамки 1 м² в четырех–шестикратной повторности.

Рассматриваемые опыты представляют собой разновозрастные плантации мискантуса, расположенные на прилегающих участках серых лесных и дерново-подзолистых почв с близкими агрохимическими свойствами; в опытах изучали урожайность и качество продукции мискантуса в зависимости от возраста посадки. Изменение почвенных показателей при многолетнем выращивании мискантуса рассмотрено в полевом опыте, заложенном в 2009 г. на типичном участке старопахотной серой лесной почвы. Данный опыт (как и другие) представляет собой поле площадью ≈1 га, на котором участки с мискантусом (полосы 50 × 20 м) чередуются с такими же участками бессменного пара, служившего в качестве контроля. В связи с необходимостью выявления средообразующих возможностей мискантуса, удобрения в опыте не применяли.

Почвенные образцы отбирали во время уборки урожая и анализировали общепринятыми методами [9, 10]: гумус определяли по Тюрину, рН-потенциометрическим методом, нитратный азот – методом ионометрии, подвижный фосфор и калий – по Чирикову, легкоподвижный фосфор – по Францесону, степень подвижности фосфатов – по Карпинскому–Замятиной, обменные калий и магний – в вытяжке 1 М раствора CH₃COONH₄. Растительные образцы отбирали в течение вегетации и анализировали стандартными методами [11].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

После высадки мискантуса при закладке опыта, в первый год формирования плантации происходило прежде всего интенсивное ветвление корневищ и их рост [12], поэтому продуктивность подземной биомассы была значительно больше надземной (табл. 2). Исследования показали, что усиленный рост подземных побегов начинался в начале фазы кущения растений, к окончанию фазы цветения мискантуса его корневища уже образовывали многочисленные боковые побеги и новые метамеры. Интенсивное нарастание надземной биомассы начиналось с середины июня, к концу первого года вегетации прирост обычно составлял 0.8–1.0 т/га.

Во 2–3-й год опыта происходило активное нарастание как надземной, так и подземной биомассы, урожайность культуры достигала 10–12 т/га. Сформировавшаяся мощная корневая система обусловила высокий потенциал вегетативного размножения и интенсивности продукционного процесса фитоценоза.

Следует сказать, что определенную дискуссионность может вызвать вопрос об инвазивности мискантуса. В целом известно, что инвазивность присуща прежде всего видам, размножающимся семенами. В этой связи, по мнению ряда авторов, мискантус не представляет угрозы для сельскохозяйственных угодий [13, 14]. Изучаемый вид не дает семян в условиях Сибири, тем самым минимизируя риск инвазивного распространения. Возможное распространение корневищ по окружающей территории ограничивается агротехническими приемами, как и для других подобных культур – проведением опашки поля по периметру 1–2 раза в течение вегетационного периода. Отметим, что проводимые с 2005 г. исследования не выявили инвазивности мискантуса на опытных участках и соседних полях.

Проведенная в 2018 г. сравнительная оценка продуктивности разновозрастных посадок мискантуса свидетельствовала об отсутствии существенных различий урожайности культуры в зависимости от возраста плантации, по крайней мере, в течение 10–15 лет ее функционирования (табл. 3). Отметим, что довольно стабильная урожайность мискантуса была получена в годы с различными погодными условиями вегетационного периода, что свидетельствовало о высокой адаптивности растения к факторам внешней среды.

Структурный анализ надземной биомассы показал, что различия между разновозрастными плантациями мискантуса в целом были невелики. Варьирование продуктивности составило от 10.8 (посадка 2016 г.) до 14.3 т/га (посадка 2009 г.). Самый высокий стеблестой отмечен в посадках 2016 г. при минимальной его густоте в 202 шт./м², самый низкий – в посадках 2005 г. при средней густоте стояния 223 шт./м². Наивысшая продуктивность мискантуса 2009 г. посадки в значительной степени была сопряжена с соответствующей максимальной густотой стеблестоя – 302 шт./м².

Потенциальная продуктивность мискантуса достигает 40 т сухой массы/га, реальная – зависит от почвенно-гидротермических условий выращивания и вида растения. По усредненным данным [15], урожайность 3-летних посадок мискантуса в условиях Англии составляла: у Miscanthus giganteus – 13.8–18.7, M. sacchariflorus – 11–12, M. sinensis – 4.6–10.9 т/га, в Германии – 22.8–29.1, 12–13 и 9.1–12.8 т/га, в Португалии – 34.7–37.8, 35–36 и 16.1–22.4 т/га соответственно.

В наших опытах на юге Западной Сибири (на территории Новосибирской обл.) продуктивность разновозрастных посадок M. sacchariflorus обычно варьировала в пределах 10–16 т/га, при среднем показателе ≈12 т. Сопутствующие внешние факторы роста и развития растений – приход фотосинтетической активной радиации, продолжительность вегетационного периода и его погодные условия – позволяли получать соответствующую урожайность культуры.

Отметим, что в ИЦиГ СО РАН проводят изучение и других дикорастущих и культурных энергетических растений, в т.ч. из семейства злаковых, например, канареечник тростниковидный (Phalaroides arundinaceae Raush) – урожай зеленой массы равен 30–35 т/га, содержание целлюлозы – 44.2% (абсолютно сухого сырья – а.с.с.), высота побегов – 220 см, овсяница тростниковидная (Festuka arundinaceae Schreb) – урожай зеленой массы равен 39–45 т/га, содержание целлюлозы – 40% (а.с.с.), высота побегов – 158 см, ежа сборная (Dactylis glomerata L.) – урожай зеленой массы равен 33–38 т/га, содержание целлюлозы – 55.4% (а.с.с.), высота побегов – 150 см. Однако по комплексу биологических, хозяйственных и биохимических показателей мискантус представляется наиболее перспективным.

Химический анализ надземной биомассы мискантуса (табл. 4) подтвердил его ценность как источника энергии и сырья для переработки, прежде всего в целлюлозно-бумажной промышленности, производстве биоразлагаемых упаковочных материалов, а также других отраслях [16]. Высокое содержание целлюлозы (53%) при относительно низком уровне лигнина и жировосковой фракции характеризует мискантус как перспективную урожайную сырьевую культуру со значительным экономическим потенциалом возделывания и переработки.

Проведенное исследование кормовых качеств мискантуса [17] показало их снижение в течение вегетационного периода (табл. 5). По мере прохождения фенофаз в надземной биомассе уменьшалось количество протеина и жира и увеличивалось содержание клетчатки. Установлено, что ее содержание в растениях мискантуса для рациона крупного рогатого скота является благоприятным лишь при укосе до конца июня. Напомним, что оптимальное содержание клетчатки в кормах для КРС составляет 22–27, для свиней – 5–7, птицы – 4–6%. При чрезмерно высоком содержании клетчатки существенно уменьшается перевариваемость питательных веществ рациона.

Содержание обменной энергии (ОЭ) 9–10 МДж/кг в начале вегетации также свидетельствовало о возможности получения в этот период корма с довольно хорошим качеством. К концу вегетации содержание клетчатки в растениях заметно превышало оптимальные показатели, рекомендуемые для рациона животных; это обстоятельство существенно снижает кормовые качества данной культуры. Однако именно высокое содержание целлюлозы и возможность ее переработки в ценные продукты является существенным достоинством мискантуса.

Результаты опытов свидетельствовали, что содержание элементов-биофилов в растениях разновозрастных посадок мискантуса в период уборки в среднем составило: азота – 0.19, фосфора – 0.16, калия – 0.46, магния – 0.034% от сухого вещества. Следовательно, с каждой 1 т скашиваемого мискантуса из почвы отчуждалось ≈1.5 кг азота, 1.3 – фосфора, 3.5 – калия и 0.3 кг – магния. Учитывая, что средняя урожайность мискантуса в наших опытах равнялась 12 т/га, ежегодный вынос элементов питания растений за счет почвенных запасов составлял: азота – 17–20, фосфора – 11–17, калия – 35–40, магния – 2–3 кг/га. По сравнению с другими урожайными культурами, такие масштабы отчуждения мискантусом питательных элементов из почвы представляются невысокими.

Исследованные почвы в естественном состоянии обладают невысоким в целом уровнем плодородия (табл. 1), при их длительном сельскохозяйственном использовании в годы перед закладкой рассматриваемых опытов почвенное плодородие было существенно истощено. Выращивание мискантуса в течение 10 лет способствовало значительному повышению содержания гумуса в почве агроценоза (табл. 6), как по сравнению с исходной старопахотной почвой, так и соседним парующимся участком. Отметим, что количество гумуса в почве под мискантусом возросло не только в верхнем, но и в нижележащих почвенных слоях. Можно предположить, что легкий гранулометрический состав исследованной почвы сдерживал процесс гумусонакопления, в тяжелых почвах он проходил бы намного интенсивнее. Ранее в научной печати сообщали об обеспечении посадками мискантуса положительного баланса гумуса в агроценозах [5, 6, 18].

В сибирских условиях наиболее информативным показателем обеспеченности выращиваемых культур почвенным азотом является содержание нитратов [19]. Содержание нитратного азота в почве опытов осенью 2019 г. показано в табл. 6. Низкие запасы органического вещества в почве существенно лимитировали процессы минерализации и нитратообразования, тем не менее, в верхнем слое почвы пара накапливалось 12–13 мг N-NO₃/кг. Увеличившиеся запасы почвенного органического вещества под посадкой мискантуса в течение вегетации обеспечивали, вероятно, более высокую эффективность процессов нитрификации. В то же время интенсивный рост биомассы мискантуса обусловливал практически полное потребление растениями имеющихся запасов подвижного минерального азота по всему почвенному профилю. В этой связи представляется целесообразной оптимизация азотного режима данной почвы. Однако в подобных экстенсивных агроценозах (без внесения удобрений) дополнительное положительное влияние на фонд минерального азота будет оказывать гумусное состояние почв, перманентно улучшающееся при выращивании мискантуса.

По данным зарубежных исследователей [20, 21], азотные удобрения необходимы в основном на почвах с низким содержанием N, при достаточно интенсивных и эффективных процессах минерализации почвенного органического вещества влияния N-удобрений на урожайность мискантуса не наблюдали, по крайней мере со 2–3-го года вегетации. Однако для поддержки корневищ при закладке плантации целесообразно внесение азотных удобрений в дозе N60.

Слабая отзывчивость мискантуса на внесение удобрений во многом связана с его способностью к эффективной реутилизации питательных элементов. В конце вегетации из побегов в корневища перемещается примерно 50% поглощенного азота и фосфора и 30% калия и магния [20]. Весной эти резервы мобилизуются для роста новых побегов, делая мискантус в определенной степени независимым от уровня почвенного плодородия. Низкую потребность мискантуса в почвенных запасах элементов питания ранее отмечали ряд авторов [5, 6, 15].

Обеспеченность зерновых (злаковых) культур обменным калием на исследованной почве легкого гранулометрического состава по нашим градациям [22, 23] является неустойчивой, т.е. для них (в отличие от картофеля) калий не находится в первом минимуме и внесение других макроэлементов, в первую очередь, азота, существенно повышает урожайность. Известна способность растений семейства злаковых усваивать труднодоступный калий из кристаллической решетки алюмосиликатов. В длительных исследованиях Ротамстедской опытной станции (Великобритания) на легких почвах, в которые более 80-ти лет не вносили калийные удобрения, зерновые культуры, выращиваемые все это время, могли ежегодно усваивать 15–25 кг K₂O/га [24].

Выращивание в течение 10 лет мискантуса в наших опытах сопровождалось достоверным снижением содержания обменного калия в верхнем почвенном слое относительно почвы пара (табл. 6), ниже по профилю уровень калия практически не изменился. Это подтверждает результаты проведенных ранее длительных исследований [22, 25], свидетельствующих, что значимые изменениях содержания подвижных форм калия и при дефицитном, и при профицитном его балансе в агроценозах, проявляются, главным образом, в верхнем (пахотном) слое почв. Ежегодный вынос калия отчуждаемой биомассой мискантуса (до 40 кг/га) обеспечивался за счет структурного калия почвенных минералов, не извлекающегося стандартными вытяжками.

Содержание обменного магния в почве за 10 лет опытов не изменилось, и было одинаковым и под мискантусом, и при длительном паровании (табл. 6). Это связано с невысоким его содержанием в урожае культуры и эффективной реутилизацией. Ранее было показано [25], что снижение содержания подвижных форм магния в почве при ее сельскохозяйственном использовании связано не столько с потреблением выращиваемыми культурами (вынос урожаем), сколько (главным образом) с процессами выщелачивания элемента из верхних почвенных слоев, значительно усиливающимися при внесении минеральных удобрений, прежде всего аммонийных азотных и калийных, ионы аммония и в меньшей степени калия эффективно вытесняют магний из почвенного поглощающего комплекса.

Реакция почвенного раствора при длительном выращивании мискантуса не изменилась по сравнению как с исходной старопахотной почвой, так и с почвой сопутствующего пара, рН$_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$ во всех случаях был равен 5.75.

Специфической особенностью исследованных почв является довольно высокое содержание подвижного фосфора как в естественном состоянии (≈200 мг/кг), так и старопахотном. В целом для региона характерно богатство почвообразующих пород апатитами и фосфоритами и преобладание в фосфорном фонде почв высокоосновных фосфатов кальция и их оклюдированных форм. В связи с этим при повышенном содержании валового фосфора в почвах доступность его запасов обычно низкая [26, 27].

Содержание подвижного фосфора (по Чирикову) в почве опыта (табл. 7) было примерно одинаковым и под посевом мискантуса и в паровом поле, при довольно равномерном распределении его по всему почвенному профилю с некоторым увеличением в иллювиальном горизонте. По действующим стандартным градациям такое содержание соответствует очень высокой обеспеченности почвы фосфором. Однако по данным [26, 27], концентрация почвенного фосфора, определенная по методу Чирикова, на 74% обусловлена содержанием в почве высокоосновных фосфатов кальция и слабо отражает обеспеченность фосфором выращиваемых культур.

По мнению [28], наиболее чувствительным способом оценки фосфорного состояния западносибирских почв является метод Францесона. Содержание легкоподвижного фосфора в почве нашего опыта по градациям [28] соответствовало средней степени обеспеченности растений фосфором. Распределение этой формы фосфатов по почвенному профилю в целом аналогично подвижному фосфору, с пиком в иллювиальном горизонте и дальнейшим резким снижением. Обращает на себя внимание факт заметного повышения содержания легкообменного фосфора в верхнем слое почвы под мискантусом по сравнению с паром и явная тенденция к соответствующему его увеличению в нижележащих почвенных слоях. Причиной этого явления могла быть как более интенсивная фиксация фосфора в труднодоступные формы в условиях парующейся почвы, так и его определенная биогенная аккумуляция в верхних почвенных горизонтах под многолетней посадкой мискантуса, сопровождавшаяся, возможно, некоторым повышением степени мобильности имевшихся почвенных фракций фосфатов.

Важным показателем способности твердой фазы почвы отдавать в раствор ионы фосфора является степень их подвижности, определяемая по методу Карпинского–Замятиной. В табл. 7 показаны результаты анализа почвы опыта, выполненные данным способом (пересчитанные из мг/л в мг/кг почвы). Этот показатель фосфорного состояния почвы, в отличие от других рассмотренных форм элемента, имел максимальную величину в верхнем почвенном горизонте и резко снижался с глубиной, отражая как высокую обеспеченность растений доступным фосфором, так и доминирование в фосфатном фонде нижележащих почвенных слоев фракции труднорастворимых высокоосновных фосфатов кальция типа апатита. Отмеченная тенденция к некоторому снижению величины данного показателя в почве под мискантусом по сравнению с паром связана с отчуждением наиболее мобильной части фосфатного фонда почвы при многолетнем выносе урожаем.

Таким образом, результаты длительных исследований свидетельствовали, что культивирование плантаций мискантуса способствует решению ряда значимых экологических вопросов [29]: создает культурный агроландшафт, рациональный в имеющихся почвенно-климатических условиях; обеспечивает получение устойчивого урожая качественной растениеводческой продукции, повышая эффективность использования низко плодородных земель; улучшает гумусное состояние и стабилизирует фонд подвижных форм зольных элементов почвы, тем самым препятствуя нарастающему истощению ее плодородия и деградации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В многолетних полевых опытах показана эффективная возможность выращивания мискантуса в зоне северной лесостепи и подтайги Западной Сибири. Региональные гидротермические условия позволяют ежегодно получать сухой массы мискантуса 10–15 т/га; плантации культуры можно бессменно возделывать в течение не менее 15 лет без снижения урожайности. Содержание в надземной биомассе мискантуса в фазе уборки 53% целлюлозы делает его перспективным сырьем для переработки; в начале вегетации зеленую массу можно использовать на кормовые цели. Подтверждена способность посадок мискантуса успешно произрастать на почвах с низким уровнем плодородия, оказывая на них положительное средообразующее воздействие. Установлено, что за 10 лет бессменного выращивания мискантуса на почве легкого гранулометрического состава содержание в ней гумуса возросло на 0.3–0.4%, несмотря на интенсивное использование растениями почвенного мобильного азота, генерируемого соответствующими минерализационными процессами.

Отмечена тенденция к накоплению подвижных форм зольных элементов в верхнем почвенном слое, связанная, возможно, как с биогенной аккумуляцией, так и с повышением степени мобильности их соединений. В целом исследования показали очевидную перспективность выращивания мискантуса в континентальных регионах России, в т.ч. на низкопродуктивных землях, препятствуя их прогрессирующей деградации, улучшая эколого-агрохимическое состояние агроценозов и обеспечивая агрономическую целесообразность производства.

Авторы благодарны сотрудникам ИЦиГ СО РАН Поцелуеву О.М. и Галицыну Г.Ю. за содействие в проведении полевых работ.