Агрохимия, 2021, № 2, стр. 21-30

ВВЕДЕНИЕ

В хозяйствах индустриального животноводства бесподстилочный навоз применяется преимущественно под многолетние злаковые травы, злаково-бобовые травосмеси. Согласно методическим рекомендациям [1], при расчете годовой оптимальной дозы бесподстилочного навоза учитывают вынос элементов питания планируемым урожаем, их содержание в применяемом удобрении и коэффициенты использования азота, фосфора, калия из него. При расчетах применяют следующие коэффициенты использования биогенных элементов из бесподстилочного навоза: азота – 0.5, фосфора – 0.3, калия – 0.7 при богаре и 0.8 – при орошении. Данные коэффициенты установлены на основании результатов исследований с использованием меченых атомов. Согласно краткосрочным исследованиям [2] с применением стабильного изотопа азота ¹⁵N, 40–50% азота удобрений используют растения, 20–25% закрепляется в почве в основном в органической форме микроорганизмами, 25–30% составляют газообразные потери за счет деятельности денитрифицирующих бактерий. В исследованиях немецких ученых коэффициенты использования элементов питания из бесподстилочного навоза не представляют собой постоянных величин и их величины зависят от почвенно-климатических особенностей зон его использования, сроков внесения и варьируют в следующих пределах: для азота – 0.4–0.7, фосфора – 0.3–0.9, калия – 0.6–0.85 [3]. Значительно меньшие коэффициенты использования биогенных элементов из бесподстилочного навоза приведены в нормативах ВИУА, согласно которым коэффициенты использования азота, фосфора, калия из жидкого навоза составляют соответственно 0.3, 0.25, 0.3, из полужидкого навоза – соответственно 0.35, 0.35, 0.35 [4]. Приведенные величины эффективности использования сельскохозяйственными культурами биогенных элементов из бесподстилочного навоза получены, как правило, в краткосрочных полевых исследованиях. Однако для современных хозяйств индустриального животноводства при расчетах оптимальных доз удобрений под сельскохозяйственные культуры чрезвычайно важны сведения о коэффициентах использования азота, фосфора, калия из жидкого навоза, помета, животноводческих стоков при длительном их применении. Цель работы – определение эффективности длительного применения различных доз бесподстилочного навоза в агроценозе с бессменным посевом костреца безостого, величин коэффициентов использования биогенных элементов из удобрения, баланса азота, статей его расхода в зависимости от уровня плодородия почвы, длительности проведения исследования.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование эффективности длительного применения различных доз бесподстилочного навоза в агроценозах с бессменным возделыванием костреца безостого проводят на опытном ВНИИОУ с 1983 г. в рамках программы длительных опытов Географической сети по комплексному применению удобрений и других средств химизации (регистрационный № 088 в Реестре аттестатов длительных опытов). Почва участка – дерново-сильно подзолистая супесчаная, подстилаемая моренным суглинком. Пахотный слой почвы перед закладкой опыта имел следующие агрохимические показатели: рН_KCl 4.9, содержание гумуса (по Тюрину) – 1.34%, подвижных фосфора и калия (по Кирсанову) – соответственно 56–68 и 147 мг/кг, Н_г (по Каппену) – 1.9 ммольэкв/100 г, сумма поглощенных оснований (по Каппену–Гильковицу) – 3.7 ммольэкв/100 г. Схема полевого опыта включала следующие варианты: 1 – без удобрений (контроль), 2 – бесподстилочный навоз (БН), доза N300, используют под 3 укоса в дозах по укосам: N300 + 0 + 0, 3 – БН, N400 (300 + 100 + 0), 4 – БН, N500 (300 + 100 + + 100), 5 – БН, N700 (300+200+200), 6 – минеральные удобрения (МУ), эквивалент варианта 2 по содержанию N300PK. Удобрения вносили ежегодно – БН 3 раза в год (по укосам), МУ – один раз в год весной вразброс без заделки. В исследованиях 1983–1994 гг. применяли бесподстилочный навоз свинокомплекса “Владимирский” со следующими агрохимическими характеристиками: влажность 97.88–98.73%, валовое содержание азота – 0.06–0.1, фосфора – 0.02–0.03, калия – 0.02–0.04%. На комплексе использовали гидросмывную систему удаления и транспортирования навоза. Начиная с 1995 г., в полевых исследованиях применяли бесподстилочный навоз крупного рогатого скота – смесь полужидкого навоза молодняка 12–18 мес. (механическое удаление с помощью дельта-скреперов) и навозных стоков (доильно-молочного блока, после очистки животноводческих ферм) со следующими агрохимическими характеристиками: влажность 95–97%, валовое содержание азота – 0.09–0.15, фосфора – 0.03–0.05, калия – 0.07–0.12. Площадь опытной делянки 70 м², учетной – 54 м². Повторность четырехкратная. Опытная культура – кострец безостый (Bromopsis inermis Leyss..), сорт Моршанский 760. Агротехника – общепринятая для Владимирской обл. [5]. В период 1983–1994 гг. на удобрение использовали бесподстилочный навоз свинокомплекса “Владимирский”. Начиная с 1995 г., по причинам экономического характера (высокие транспортные расходы), в опыте использовали бесподстилочный навоз КРС местной молочной фермы и молочного комплекса ЗАО “Имени Ленина” Собинского р-на Владимирской обл. Использованный в период 1983–2018 гг. на удобрение бесподстилочный навоз характеризовался низким содержанием сухого вещества (1.6–4.6%), азота (0.11–0.21%), фосфора (0.06–0.1%), калия (0.12–0.23%). Выбор опытного участка, закладку, проведение полевого опыта, учет урожая костреца безостого выполняли в соответствии с требованиями ОСТ 10 106 [6], “Методики полевого опыта” [7]. Учет и качество урожая фитомассы каждой делянки проводили не позднее начала колошения методом сплошного укоса. Отбор, подготовку к анализу, ботанический состав проб зеленой массы, ее качество определяли по показателям и методами, указанными в ГОСТ Р 56912. Содержание органического вещества в почве определяли по методу Тюрина [8], групповой и фракционный состав гумуса – методом Тюрина в модификации Пономаревой–Плотниковой [9], подвижный гумус – экстракцией органического вещества почвы 0.1 н. NaOH [10], водорастворимый гумус – методом Тюрина [11]. Критерием использования растениями элементов питания являлась величина соотношения разности между выносом питательных веществ растениями на удобренном и контрольном вариантах к дозе внесенного в почву действующего вещества: Киу = = (Ву – Во)/Д × 100%, где Киу – коэффициент использования питательных веществ удобрений, %; Ву – величина выноса питательного элемента в удобренном варианте, кг/га; Во – вынос в контрольном варианте, кг/га; Д – доза удобрения, кг д.в./га. Математическая обработка экспериментальных данных проведена методом дисперсионного анализа [7], построение рисунков-гистограмм – с использованием компьютерных программ Excel.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Регулярное применение удобрений обусловило заметное изменение содержания органического вещества в почве, увеличение урожайности костреца безостого. Применение бесподстилочного навоза ежегодно повышало содержание гумуса в дерново-подзолистой супесчаной почве при дозах N300, N700 соответственно на 0.05 и 0.07%, что свидетельствовало о повышении потенциального плодородия почв (табл. 1). За период исследования 1983–2019 гг. в вариантах опыта с внесением бесподстилочного навоза в дозах N300, N700 в почву поступило органического вещества в составе пожнивно-корневых остатков и навоза соответственно 520 и 928 т/га. Коэффициенты минерализации поступившего органического вещества в почве данных вариантов опыта составили соответственно 88 и 91%. При использовании бесподстилочного навоза содержание гумуса повышалось как в пахотном, так и в нижележащих горизонтах почвы (табл. 2). Максимальной дозе бесподстилочного навоза (N700) соответствовало наибольшее увеличение содержания органического вещества в нижележащих горизонтах, что было обусловлено миграцией подвижных органических веществ из верхнего перегнойно-аккумулятивного горизонта, ростом биомассы корневой системы трав. Длительное, ежегодное применение бесподстилочного навоза повысило качество органического вещества почвы: увеличило абсолютное содержание в ней гуминовых и фульвокислот. В результате заметного увеличения содержания углерода гуминовых кислот в вариантах с применением бесподстилочного навоза тип гумуса трансформировался из фульватного в гуматно-фульватный. Регулярное применение бесподстилочного навоза повысило качество гуминовых кислот: увеличило содержание наиболее ценных гуминовых кислот, связанных с кальцием и полуторными окислами (фракции ГК-2, ГК-3). Систематическое применение бесподстилочного навоза увеличило содержание в почве водорастворимых и лабильных гумусовых соединений, тем самым повысило ее эффективное плодородие [12]. В почве варианта с использованием бесподстилочного навоза в дозе N700 в сравнении с почвой контрольного варианта доля запасов водорастворимых форм органического вещества увеличилась в 1.5 раза (6.5 против 4.1% С_общ), содержание лабильного гумуса –в 2 раза (303 против 162 мг С/100 г).

Длительное применение бесподстилочного навоза оказало заметное влияние на изменение агрохимических свойств почвы: отмечено заметное увеличение содержания в ней общего азота, подвижного фосфора, калия (табл. 3). С увеличением дозы бесподстилочного навоза содержание этих элементов в почве повышалось. Увеличение содержания биогенных элементов отмечено как в пахотном, так и в нижележащих горизонтах почвы. Отсутствие гигиенических нормативов не позволило оценить безопасность почвы с содержанием фосфатов >700, калия >400 мг/кг. Указанные в ГН 2.1.7.2041 [13] ПДК фосфатов (200 мг/кг) и ПДК калия (360 мг/кг) разработаны для ограничения содержания в почве суперфосфата и хлорида калия. Высокое накопление биогенных элементов в пахотном горизонте почвы обусловило их активную миграцию по профилю почвы, что повышало риски загрязнения грунтовых вод прежде всего нитратами, фосфатами.

Согласно результатам исследования, экологическая устойчивость костреца безостого зависела от уровня плодородия почвы. Многолетнее использование травостоя костреца безостого в варианте без удобрений приводило к сукцессии. Агроценоз заменился фитоценозом (табл. 4). В первые 5 лет доля костреца в травостое снижалась до 84%, через 10 лет – до 15, через 37 лет – до 0.3. В травостое отсутствовала доминирующая культура. В его составе было более 20 биологически сильно отличающихся видов растений.

Совершенно иные результаты получены в вариантах с регулярным применением удобрений. В первые годы исследования в данных вариантах также отмечено снижение доли в травостое костреца безостого, что, вероятно, было связано с выпадением наименее устойчивых растений в условиях низкого плодородия почвы. Однако по мере повышения плодородия почвы проявились виолентные свойства костреца базостого (более раннее наступление фазы активного формирования надземной вегетативной массы, корневой системы, опережающий линейный рост растений). На протяжении всех последующих лет исследования (2007–2019 гг.) доминирующее положение в травостое в этих вариантах опыта занимал кострец безостый. Положительное влияние бесподстилочного навоза на высокую степень участия культурных видов многолетних трав в травостоях показано в многочисленных краткосрочных исследованиях [14–16]. Подавляющее преобладание нитрофильных многолетних злаковых трав в агроценозах авторы объясняли высоким уровнем их обеспеченности азотом в условиях интенсивного применения жидкого навоза, навозных стоков.

Согласно результатам исследования, урожайность зеленой массы травостоя различалась по годам и не зависела от их возраста, определялась дозой примененных удобрений, погодными условиями вегетационных периодов. Наибольшая урожайность зеленой массы костреца безостого получена в 2019 г., в 37 год проведения исследования благодаря умеренному температурному режиму, интенсивному выпадению осадков на протяжении всего вегетационного периода. На протяжении всех лет исследования урожайность зеленой массы повышалась с увеличением доз бесподстилочного навоза (рис. 1).

Рис. 1.

Влияние удобрений на урожайность костреца безостого, т/га (в пересчете на сухое вещество, средние, НСР₀₅ = = 0.6 т/га).

В сравнении с контрольным вариантом опыта применение бесподстилочного навоза в дозах N300–N700 повышало урожайность в среднем соответственно на 300–500%. Применение бесподстилочного навоза и минеральных удобрений в дозах, эквивалентных по содержанию основных биогенных элементов питания, обеспечило одинаковое увеличение урожая зеленой массы костреца. Согласно литературным данным, высокая продуктивность многолетних трав при использовании бесподстилочного навоза, вероятно, была обусловлена их биологическими особенностями. Многолетние злаковые травы обладают мощной корневой системой, проникающей на глубину более 2 м и высокой их способностью к отрастанию за счет надземных и видоизмененных подземных побегов. Развитая мочковатая корневая система способствует более полному усвоению питательных веществ, внесенных с удобрениями, надежно обеспечивает растения физиологически активными веществами, стимулирующими рост, развитие растений, их высокую продуктивность, устойчивость к стрессовым условиям произрастания [16].

Результаты 37-летнего исследования показали, что качество зеленой массы костреца безостого при регулярном применении удобрений определялось прежде всего величиной дозы удобрений, уровнем плодородия почв, погодными условиями вегетационного периода, не зависело от возраста травостоя. Регулярное применение бесподстилочного навоза в дозах, не превышающих N300, повысило в зеленой массе многолетних трав содержание общего азота, сырого протеина, каротина, жира, снизило количество сырой клетчатки, водорастворимых углеводов (табл. 5). Увеличение дозы жидкого навоза, навозных стоков с N300 до N700 во все годы исследования повышало сбор сырого протеина в сравнении с контролем соответственно в 5 и 7 раз, сбор кормовых единиц с 1 га возрастал в 4–5 раза. На протяжении всех лет исследования применение бесподстилочного навоза повышало в зеленой массе костреца содержание калия, фосфора, уменьшало – кальция, магния (табл. 6). Снижение содержания в зеленой массе кальция и магния под влиянием удобрения было обусловлено более высоким содержанием в жидком навозе, навозных стоках азота и калия, являющихся элементами-антогонистами для кальция, калия – для магния. Изменение содержания макроэлементов в растениях костреца при использовании высоких доз удобрений ( N500 и более) приводило к опасному нарушению их соотношений: К : (Ca + Mg) > 2.2, К : : Na >4.5, а также Ca : Р = (1–3) : 1 в сторону трехкратного превышения содержания фосфора над количеством кальция, что снижало качество зеленой массы, безопасность ее применения на корм [17]. Важным показателем сбалансированности кормов минеральными веществами является соотношение суммы грамм-эквивалентов кислотных элементов к сумме грамм-эквивалентов щелочных элементов. Наиболее благоприятным соотношением считается (0.6–1.0) : 1. Систематическое применение бесподстилочного навоза в дозе N700, минеральных удобрений повышало данное соотношение до критических величин. Вследствие использования бесподстилочного навоза в сверхвысоких дозах (N500 и более) в зеленой массе костреца отмечено сверхнормативное накопление нитратов, нарушение сахаро-протеинового отношения, что ухудшало кормовую ценность зеленой массы, безопасность ее использования.

Регулярное применение различных доз бесподстилочного навоза не оказало заметного влияния на содержание в зеленой массе костреца токсичных веществ (тяжелых металлов, остаточных количеств пестицидов), что было связано с их чрезвычайно низким содержанием в бесподстилочном навозе. Высокое качество зеленой массы костреца при применении бесподстилочного навоза в дозах, не превышающих N300, на протяжении всех лет его бессменного пользования, вероятно, было обусловлено значительным уровнем плодородия почв, биологическими особенностями данного растения. Кострец безостый относится к группе поликарпических растений. На протяжении всего периода вегетации данные растения характеризуются высоким уровнем возобновления травостоя: постоянно появляются в большом количестве новые побеги, которые при применении умеренных доз удобрений не накапливают питательные вещества в опасных концентрациях.

Согласно результатам исследования, длительное применение различных доз бесподстилочного навоза оказало значительное влияние на рост плодородия почв, урожайность, качество зеленой массы костреца безостого. За прошедшие 37 лет систематического применения с бесподстилочным навозом в почву в расчете на 1 га было внесено при применении дозы N300: 11.1 т азота, 3.6 т Р₂О₅, 7.2 т K₂О; при внесении максимальной дозы N700: 25.9 т азота, 8.4 т Р₂О₅, 17.2 т K₂О. При выносе урожаем многолетних трав с 1 га хозяйственный баланс элементов питания во всех вариантах с использованием удобрений складывался положительно, что обусловило значительное изменение агрохимических показателей плодородия почвы. При внесении бесподстилочного навоза и минеральных удобрений отмечено увеличение содержания гумуса и основных элементов питания в почве. С увеличением длительности проведения исследования, с повышением дозы внесения бесподстилочного навоза, а также увеличения плодородия почв коэффициенты использования кострецом безостым биогенных элементов заметно снижались. Например, в период 1983–1990 гг. коэффициенты использования NРК кострецом из бесподстилочного навоза при дозе внесения N300 составляли соответственно: 0.5, 0.7, 0.7. За весь период исследования (1983–2019 гг.) они снизились соответственно до 0.29, 0.35, 0.46. Коэффициенты использования NРК кострецом из бесподстилочного навоза при дозе внесения N700 в 1983–1990 гг. соответствовали 0.45, 0.3, 0.6, за период 1983–2019 гг. составили лишь 0.18, 0.21, 0.28 (табл. 7).

По результатам проведенных исследований расчитан баланс азота при длительном применении удобрений в агроценозах с бессменным возделыванием костреца безостого (табл. 8). С увеличением дозы бесподстилочного навоза с N300 до N700 повышались непроизводительные потери азота с 18 до 51%, что снижало агрономическую ценность данного удобрения, повышало риски загрязнения окружающей среды и растительной продукции [18–22].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Регулярное применение бесподстилочного навоза в агроценозе с бессменным 37-летним возделыванием костреца безостого определило ежегодное увеличение содержания гумуса в дерново-подзолистой супесчаной почве при дозах N300, N700 соответственно на 0.05 и 0.07%, что свидетельствовало о повышении потенциального плодородия почв. Систематическое применение бесподстилочного навоза в дозе N700 увеличило содержание в почве водорастворимых и лабильных гумусовых соединений соответственно в 1.5 и 2.0 раза в сравнении с их содержанием в почве контрольного варианта, повысило ее эффективное плодородие.

Длительное применение бесподстилочного навоза увеличило содержание в почве азота, подвижного фосфора и калия. При увеличении дозы бесподстилочного навоза до N700 содержание подвижного фосфора, калия в почве повышалось до возможно критических величин – соответственно до 1429 и 430 мг/кг.

Бессменное возделывание костреца безостого в условиях дерново-подзолистой почвы без применения удобрений обусловило его динамичное выпадение в травостое уже в первые годы произрастания. В первые 5 лет содержание костреца в травостое снижалось до 84, через 10 лет – до 15, через 37 лет – до 0.3%. Доминирующими становились травосмеси сорных растений, наиболее приспособленные к условиям произрастания. Регулярное применение бесподстилочного навоза в агроценозах с бессменным возделыванием костреца безостого способствовало его подавляющему преобладанию в травостое. В 2019 г., на 37-м году возделывания во всех вариантах опыта с применением различных доз бесподстилочного навоза доля костреца безостого в травостое превышала 92%.

За весь период исследования применение бесподстилочного навоза в дозах N300–N700 в среднем повышало урожайность костреца безостого соответственно в 3–5 раз. Высокопродуктивное долголетие костреца безостого в условиях регулярного, интенсивного применения бесподстилочного навоза на протяжении более 37 лет исследования не зависело от возраста травостоя, определялось дозой удобрений, уровнем плодородия почвы, погодными условиями вегетационного периода. Наибольшая урожайность костреца безостого была получена в 2019 г, на 37-м году его возделывания, в условиях наиболее благоприятных для роста и развития многолетних злаковых трав.

Регулярное применение бесподстилочного навоза оказало положительное влияние на качество костреца безостого. С увеличением дозы бесподстилочного навоза в зеленой массе повышалось содержание сырого протеина, каротина, жира, количество обменной энергии, кормовых единиц.

Увеличение дозы бесподстилочного навоза с N300 до N700 во все годы исследования повышало сбор сырого протеина в сравнении с контролем соответственно в 5 и 7 раз, сбор кормовых единиц с 1 га возрастал в 4–5 раза. В условиях регулярного применения бесподстилочного навоза качество зеленой массы костреца безостого не зависело от возраста травостоя, определялось прежде всего дозой удобрений, уровнем плодородия почвы, погодными условиями вегетационного периода.

Основным ограничением систематического применения бесподстилочного навоза в дозах, превышающих N500, было его негативное влияние на качество зеленой массы костреца безостого вследствие опасного накопления в ней нитратов (>500 мг/кг сырой массы), снижения содержания безазотистых экстрактивных веществ, водорастворимых углеводов, переваримого белка, нарушения сахаро-протеинового соотношения (0.53 при дозе N700 против оптимальной его величины (0.8–1.5) : 1) и соотношения макроэлементов: K : (Ca + Mg) >2.2, K : Na >4.5, Ca : Р = = (1–3) : 1.

С увеличением сроков внесения и доз применения бесподстилочного навоза, а также с повышением плодородия почв коэффициенты использования кострецом безостым биогенных элементов из удобрений заметно снижались, что обусловливало необходимость при расчетах оптимальных доз их внесения учитывать уровень плодородия почв. В период 1983–1990 гг. коэффициенты использования NРК кострецом из бесподстилочного навоза при дозе внесения N300 составляли соответственно 0.5, 0.37, 0.7. За весь период исследования (1983–2019 гг.) они снизились соответственно до 0.29, 0.35, 0.46. Коэффициенты использования NРК кострецом из бесподстилочного навоза при дозе внесения N700 в 1983–1990 гг. соответствовали 0.45, 0.3, 0.6, за период 1983–2019 гг. составили лишь 0.18, 0.21, 0.28.