Агрохимия, 2022, № 8, стр. 10-16

ВВЕДЕНИЕ

Повышение продуктивности агроценозов Европейского Северо-Востока требует неотложного решения вопросов сохранения и повышения плодородия почв, сокращения материальных и энергетических затрат на производство сельскохозяйственной продукции. Для Республики Коми (РК) характерны прохладное и короткое лето, поздние весенние и ранние осенние заморозки, что ослабляет рост растений и снижает потребление питательных веществ [1]. На пахотных угодьях РК представлены в основном дерново-подзолистые почвы, для которых характерно очень низкое естественное плодородие [2]. При резком сокращении объемов применения удобрений и химических мелиорантов они быстро подвергаются деградационным процессам, что сопровождается снижением содержания почвенного органического вещества (ПОВ), питательных веществ и ухудшением физико-химических свойств. Для широкого воспроизводства продуктивности агроценозов РК требуются: совершенствование технологий сохранения и воспроизводства плодородия почв; возделывание сельскохозяйственных культур, адаптированных к региональным почвенно-климатическим условиям [3, 4], переход от зональной системы земледелия к адаптивно-ландшафтному земледелию и биологизированному кормопроизводству [4–7].

В связи с недостаточными ресурсами органических удобрений и высокой стоимостью минеральных, в повышении плодородия почв возрастает роль севооборотов с высокой насыщенностью однолетними и многолетними травами, позволяющими без значительных затрат повышать продуктивность культур [8–11] при высоком качестве сельскохозяйственной продукции [12]. Наиболее полно изучить возможность применения таких севооборотов и оценить влияние вносимых доз удобрений на их продуктивность и качество продукции, рациональное использование материальных ресурсов и возмещение в почву элементов питания и органического вещества позволяют длительные полевые опыты [9, 13–15], один из которых, заложенный на землях Института агробиотехнологий ФИЦ Коми НЦ УрО РАН, послужил основой для проведения данных исследований. Изучение применения органических и минеральных удобрений в кормовом севообороте проводится более чем 40 лет [4, 9]. Такой подход является важным резервом обеспечения воспроизводства плодородия и продуктивности дерново-подзолистых почв в адаптивно-ландшафтной системе земледелия Республики Коми, сохранения и поддержания его гумусового статуса.

Стационарные опыты являются главным источником информации при изучении фундаментальных проблем земледелия, а их результаты составляют основу стабильного эффективного земледелия. Основным элементом системы земледелия являются севообороты, что представляет основу для проведения всех агрономических мероприятий, в частности, систем обработки почвы, систем удобрения, систем борьбы с эрозией почвы, защиты посевов от сорняков, болезней и вредителей. В связи с этим цель работы – изучение влияния комплексного применения удобрений на плодородие пахотных почв, продуктивность и качество культур в 6-польном кормовом севообороте в условиях Севера и выявление закономерностей трансформации почв сельскохозяйственных угодий. В задачи исследования входили:

‒ оценка продуктивности картофеля – 6-го поля кормового севооборота, применения органических и минеральных удобрений, а также анализ качества растениеводческой продукции (картофеля), его соответствия нормативам (содержание сухого вещества, крахмала, витамина С, нитрат-ионов);

‒ оценка изменения агрохимических показателей дерново-подзолистой почвы при выращивании картофеля в 6-польном кормовом севообороте;

‒ расчет рентабельности использования доз минеральных и органических удобрений в 6-польном кормовом севообороте для биоклиматических условий средней тайги Республики Коми.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Комплексные исследования пахотных почв, их физико-химических особенностей продуктивности картофеля выполняли на землях Института агробиотехнологий ФИЦ Коми НЦ УрО РАН, где, начиная с 1978 г., проводится долговременный полевой опыт с удобрениями в кормовом севообороте согласно методике ВИУА им. Д.Н. Прянишникова для Географической сети опытов с удобрениями [16]. Почва опытного участка – сильноподзолистая легкосуглинистая на покровных суглинках. На начало эксперимента (1978 г.) содержание гумуса варьировало в пределах 2.1–2.5%, pH_KCl 4.8–5.6, сумма поглощенных оснований – 10.3–16.8 ммоль/100 г почвы, содержание подвижных форм фосфора – 180–240, калия – 146–190 мг/кг почвы.

В 1978–2019 гг. проводили изучение влияния различных доз минеральных удобрений (расчетной, 1/3 и 1/2 от расчетной) и действия 2-х доз органических удобрений (40 и 80 т/га) на плодородие дерново-подзолистой почвы, рост и развитие картофеля в 6-польном кормовом севообороте со следующим чередованием культур: картофель, однолетние травы + многолетние травы, многолетние травы 1-го года пользования, многолетние травы 2-го года пользования, однолетние травы, картофель. Органические удобрения (торфо-навозный компост (ТНК)) вносили осенью в период с 1977 по 2018 г. в чистом виде и на фоне действия минеральных удобрений. Также в 2018 г. для снижения обменной и гидролитической кислотности проведено известкование известняковой мукой по полной гидролитической кислотности (8.0 т/га). Расчетные дозы NPK под картофель на запланированный урожай (15.0 т/га) составили: N20P10K60 (1/3 дозы), N30P15K90 (1/2 дозы), N60P30K180 (полная расчетная доза). Площадь опытной делянки 100 м² (12.5 × 8), повторность опыта четырехкратная, площадь участка под опытом 4800 м².

Схема опыта, варианты:

Полевые и лабораторные исследования: фенологические наблюдения в фазах развития растений, учет урожая картофеля в фазе начала отмирания ботвы, определение сухого вещества и кормовых единиц (по результатам химического анализа растений) в урожае картофеля выполняли по методикам, принятым в агрохимической службе и почвоведении, расчет энергетической эффективности удобрений – по рекомендациям [12, 17]. Отбор почвенных образцов в пахотном горизонте на опытных делянках проводили после уборки урожая клубней картофеля. Уборку клубней картофеля проводили в фазе полного созревания (на 90–95-е сут после посадки).

На станции химизации “Сыктывкарская” и Институте агробиотехнологий им. А.В. Журавского в клубнях картофеля определяли содержание сухого вещества высушиванием в термостате при 100–105°С, общего азота – индофенольным методом (ГОСТ 13496.4-85), нитратов – ионометрическим методом, крахмал – поляриметрическим методом по Эверсу, витамин С – по Мурри. В образцах почв определение величины рН водной и солевых вытяжек проводили ионометрическим методом, обменной кислотности – по Соколову. Содержание фосфора определяли колориметрическим методом по Кирсанову, калия – методом пламенной фотометрии, обменные катионы кальция и магния извлекали ацетатно-аммонийным буфером (рН 7.0) с последующим определением на атомно-эмиссионном спектрофотометре ICP-Spectro ciros. Содержание гумуса определяли по Тюрину, фракционно-групповой состав гумуса – методом Тюрина в модификации Пономаревой–Плотниковой [16].

Математическая обработка полученных данных выполнена методами дисперсионного анализа с использованием пакетов программ Microsoft Excel и Statistica.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Применение различных доз органических и минеральных удобрений и их совместное использование в длительном опыте оказало существенное влияние на агрохимические показатели дерново-подзолистой среднеокультуренной почвы (табл. 1). Использование 3-х доз минеральных удобрений в течение длительного времени способствовало накоплению гумуса до 2.3–2.5, совместного применения ТНК 40 т/га + три дозы NPK – до 2.1–2.7, ТНК 80 т/га + три дозы NPK – до 2.3–3.6 и 2-х доз органических удобрений – до 2.4 и 2.8%. В контрольном варианте среднее содержание гумуса составило 1.9–2.1%. Накопление гумуса в почве происходило прежде всего за счет органических удобрений, а также корнепожнивных остатков культур, особенно бобово-злаковых травосмесей и их трансформации под действием почвенных микроорганизмов.

Исходная кислотность почвы (1978 г.) составляла 4.8–5.6 ед. рН. В течение длительного времени удавалось сохранить обменную кислотность на уровне 5.0–5.5 ед. рН, но к 2013 г. она повысилась до рН_KCl 4.4–4.8, поэтому в 2018 г. провели известкование опытного участка по полной гидролитической кислотности (8.0 т/га), что позволило снизить обменную кислотность до рН 5.3–6.8. Средняя обменная кислотность за годы исследования при применении 3-х доз NPK составила рН_KCl 5.1–5.2, 2-х доз ТНК – 5.2–5.3 ед. Применение 3-х доз NPK на фоне ТНК 40 т/га снижало обменную кислотность до рН_KCl 5.1–5.2, а на фоне ТНК 80 т/га она составила 5.3–5.5 ед. рН. Подобная закономерность отмечена и для гидролитической кислотности. Наименьшими ее показатели были в 2019 г. и составили при применении 3-х доз NPK на фоне ТНК 80 т/га 0.6–1.9 ммоль/100 г почвы.

Органические и минеральные удобрения, а также корнепожнивные остатки растений и их трансформация под воздействием почвенных микроорганизмов способствовали накоплению в почве подвижного фосфора. Наиболее значительные количества подвижного фосфора накапливались при совместном применении органических и минеральных удобрений (180–470 мг/кг почвы), а также при использовании двух доз ТНК (201–402 мг/кг почвы). В варианте без удобрений его количество составило 165–220 мг/кг почвы.

Содержание обменного калия в почве увеличивалось в почве в меньшей степени, чем подвижного фосфора. Наименьшее его количество отмечено в 2013 г. (66–98 мг/кг почвы), но после проведения известкования в 2018 г. его объемы повысились до 105–136 мг/кг. Незначительное накопление обменного калия в почве объяснялось из-за его высокого выноса растениями и вымыванием по профилю почвы.

Исследования в течение 42 лет (7 ротаций севооборота за 1978–2019 гг.) показали высокую эффективность комплексного применения удобрений (табл. 2). Наибольшая средняя урожайность сухого вещества картофеля получена в варианте ТНК 80 т/га + 1 NPK и составила 5.6 т/га, что на 61.1% превышала контрольный вариант (3.6 т/га). В вариантах ТНК 80 т/га + 1/2 или 1/3 NPK урожайность была равна 5.3 и 5.6 т/га и на 55.6 и 47.2% превышала контроль. Минеральные удобрения в 3-х дозах увеличивали урожайность картофеля до 3.9–4.7 т/га (на 8.3–30.5% больше контроля). Использование 3-х доз NPK (1/3, 1/2 и 1.0) на фоне ТНК 40 т/га способствовали получению урожая клубней картофеля до 4.8–5.4 т/га (на 33.3–50.0% больше контроля).

Показано, что органические удобрения (варианты ТНК 40 т/га и 80 т/га) способствовали получению урожая картофеля 4.1 и 4.7 т/га (на 13.8 и 30.6% больше контроля). Наиболее низкие урожаи картофеля получены в 1995 г. и составили: ТНК 40 + 3 дозы NPK – 2.0–2.4, ТНК 80 т/га + 3 дозы NPK – 2.4–2.8, при использовании трех доз NPK – 1.2–2.1, органических удобрений (ТНК 40 и 80 т/га) – 1.4 и 1.7 т/га и в контроле – 0.6 т/га. Сложившиеся метеоусловия 1995 г. были крайне неблагоприятными для роста и развития растений картофеля (посадки были угнетены переувлажнением почвы в первую половину вегетационного периода, пониженной температурой воздуха в период клубнеобразования и оказали отрицательное влияние на урожайность клубней картофеля). В другие годы исследования резких отклонений от средних многолетних показателей количества осадков и температуры воздуха не наблюдали.

Содержание сухого вещества картофеля снижалось при повышении доз минеральных удобрений и составило 2–3%, что соответствовало другим исследованиям с удобрениями (табл. 3).

Содержание крахмала в клубнях картофеля значительно различалось в вариантах. При применении 3-х доз NPK среднее его количество было равно 12.7–13.5% (в контроле – 13.6%), двух доз органических удобрений (ТНК 40 и 80 т/га) его содержание было равно 13.1 и 13.3%. Применение NPK на фоне ТНК 40 т/га повышало количество крахмала в клубнях картофеля до 12.3–13.1%, использование доз NPK на фоне ТНК 80 т/га – до 12.4–12.7%. Так как крахмал является основным показателем качества картофеля, товаропроизводитель в зависимости от его содержания может использовать клубни картофеля для различных целей: диетического питания населения, спиртовой промышленности, питания животных и др. Витамин С также является важным показателем качества картофеля. Наибольшее его количество получено в вариантах совместного применения органических и минеральных удобрений – 18.5–25.5 мг%, минеральных удобрений – 16.9–21.8, органических удобрений – 17.5–21.6, в контроле – 18.4–20.8 мг%.

Нитратный азот принимает участие в питании растений, но при попадании в организм человека он трансформируется в нитритный азот (NO₂), что представляет большую опасность для здоровья человека. В наших исследованиях количество нитратного азота варьировало от 34 до 194 мг/кг сырой массы, но это не представляло опасности, т.к. ПДК составляет 500 мг/кг сырой массы.

ВЫВОДЫ

1. Комплексное длительное применение удобрений положительно влияло на содержание гумуса в почве. При применении NPK совместно с органическими удобрениями (ТНК) содержание гумуса повысилось до 2.5–2.8, только NPK – до 2.4–2.5%, при содержании гумуса в контроле 2.1%. Удобрения снижали обменную кислотность почвы наиболее значительно при использовании NPK и ТНК до рН_KCl 5.3–5.4, при рН_KCl в контроле равным 5.1. Подобная закономерность отмечена и для гидролитической кислотности.

2. Содержание подвижного фосфора в почве значительно увеличивалось, особенно при совместном применении органических и минеральных удобрений и использовании ТНК (до 180–402 мг/кг почвы). Содержание обменного калия в почве изменялось в незначительной степени, и его количество составляло 70–300 мг/кг в различных вариантах опыта из-за высокого его выноса растениями и вымыванием по профилю почвы.

3. Исследования в течении 42 лет (7 ротаций севооборота) показали высокую эффективность комплексного применения удобрений. Наибольшая средняя урожайность сухого вещества картофеля получена в варианте ТНК 80 т/га + 1 NPK и составила 5.8 т/га, что на 61.1% превышало контроль. Минеральные удобрения повышали урожайность картофеля до 3.9–4.7 т/га (на 8.3–30.5% больше контроля), органические – до 4.1–4.7 т/га (на 13.9 и 30.6% больше контроля).

4. С увеличением доз минеральных удобрений снижалось содержание сухого вещества в клубнях на 2–3%. По количеству крахмала в картофеле различия были незначительными: при использовании минеральных удобрений – 12.7–13.5% (в контроле – 13.6%), органических удобрений – 13.1 и 13.3%, NPK совместно с органическими удобрениями – 12.4–13.1%. Количество витамина С в клубнях картофеля было достаточно высоким –16.9–25.5 мг%. Содержание нитратного азота не превышало ПДК (ПДК = 500 мг/кг сухой массы).