Почвоведение, 2021, № 3, стр. 355-362

ВВЕДЕНИЕ

В решении проблемы продовольственной безопасности страны приоритетное значение имеет стабильность агропроизводства, тесно связанная с воспроизводством плодородия почв, что в свою очередь обеспечивается применением рациональных систем удобрения. Важно учитывать, что высокая эффективность органических и минеральных удобрений достигается при их комплексном, совместном применении и оптимизации доз внесения, на что, в частности, указывал Д.Н. Прянишников. Он писал, что “если при интенсивной культуре и стремлении получать максимальные урожаи хотят дать очень сильное удобрение, то (должны применять) одновременно и навоз, и минеральные удобрения, чтобы избежать слишком большой концентрации солей весной и в то же время дать достаточный запас питания на вторую половину лета”. Он также отмечал, что “согласованное использование … минеральных удобрений … и навоза для увеличения их круговорота позволяет наилучшим образом обеспечить неуклонный рост урожаев и прогрессивное повышение плодородия почв. При оценке навозного удобрения нельзя забывать о том, что навоз не только повышает урожай культуры, под которую он вносится, но и оказывает длительное последействие, особенно при систематическом применении его в севообороте” [10, с. 251].

В настоящее время о положительной роли органического вещества навоза, птичьего помета и других удобрений органогенного происхождения, а также о значимости комплексного применения органических и минеральных удобрений в воспроизводстве плодородия почв и повышении продуктивности возделываемых культур свидетельствует многолетний отечественный и зарубежный опыт [3–6, 8, 11, 12].

При разработке проектов применения удобрений особое внимание должно быть уделено научному обоснованию их действия и последействия в системе почва–растение с учетом экологических рисков. В “Международном кодексе поведения в области устойчивого использования удобрений и управления ими”, одобренном Конференцией ФАО (Рим, 22–29 июня 2019 г.), указывается на необходимость “установить научно обоснованные предельно допустимые уровни внесения питательных веществ в виде удобрений, в том числе неорганических и органических удобрений, отходов животноводства и органических остатков во избежание нанесения вреда окружающей среде, а также здоровью людей, животных и почв” [9, с. 222]. При этом следует указать на ограниченность данных по обоснованию действия и последействия различных сочетаний и доз органических и минеральных удобрений при длительном применении в севооборотах в различных почвенно-климатических условиях.

С учетом изложенного в настоящей работе приводятся результаты исследований по изучению эффективности различных систем удобрения, в том числе с использованием подстилочного навоза крупного рогатого скота и азотных, фосфорных и калийных минеральных удобрений при возделывании сельскохозяйственных культур в условиях длительного полевого опыта ФГБНУ “ВНИИ агрохимии имени Д.Н. Прянишникова”. Особое внимание уделено исследованию устойчивости продуктивности агроценозов при многолетнем применении подстилочного навоза и минеральных удобрений в широком диапазоне их доз и сочетаний.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Исследования проводили в длительном полевом опыте, заложенном в 1978 г. в поселке Ольша Смоленской области, который значится под номером 5 в Реестре аттестатов длительных опытов с удобрениями и другими средствами химизации. Координаты полевого опыта: 54°48′ с. ш., 31°53′ в. д. Схема опыта – сокращенная факториальная, представленная выборкой 1/27 (6 × 6 × 6 × 6). Изучали 4 фактора: навоз, азотные, фосфорные, калийные минеральные удобрения в шести дозах – 0, 1, 2, 3, 4, 5. Всего в опыте 48 вариантов. Анализ действия и последействия удобрений в статье проведен в 11-ти контрастных вариантах (табл. 1). Исследования выполняли в соответствии с Программой и методикой исследований в Географической сети опытов по комплексному применению средств химизации в земледелии (1990).

В представленном полевом опыте прошло 5 ротаций севооборота. Чередование культур в первой ротации севооборота (1979–1989 гг.): картофель – ячмень – озимая рожь – горохоовсяная смесь – озимая пшеница – ячмень – многолетние травы первого и второго годов пользования – озимая рожь – овес; во второй ротации (1990–1995 гг.) и в третьей ротации (1996–2001 гг.): картофель – ячмень – многолетние травы первого и второго годов пользования – озимая пшеница – овес; в четвертой ротации (2002–2008 гг.) и пятой ротации (2009–2015 гг.) при последействии удобрений: однолетние травы (овес на зеленый корм) – озимая рожь – ячмень – многолетние травы первого и второго годов пользования – яровая пшеница – овес. Насыщенность севооборота зерновыми культурами составляла в среднем – 53%; многолетними травами – 27%.

Навоз вносили в первой ротации севооборота под картофель и озимую пшеницу, во второй и третьей – под картофель, в четвертой ротации – под озимую рожь. Навоз подстилочный, поступал с местной фермы крупного рогатого скота влажностью 70%. В расчете на натуральную влажность навоз содержал в среднем 0.46% общего азота, 0.21% P₂O₅ и 0.66% К₂О. Содержание органического вещества составляло 59%, отношение C : N равно 19. Валовое содержание тяжелых металлов в навозе невысокое: Cd – 0.1, Сr – 1, Ni – 1, Cu – 0.6, Zn – 7 мг/кг сухой массы. Единичная ежегодная доза навоза составляла округленно 3 т/га, единичные дозы азота, фосфора и калия составляли по 30 кг д. в. на 1 га. Повторность в опыте трехкратная. Площадь делянки – 112 м² (7 × 16 м), учетная площадь делянки – 48 м² (4 × 12 м).

Почва опытного участка дерново-подзолистая легкосуглинистая окультуренная – Albic Glossic Retisol (Loamic), перед закладкой опыта характеризовалась следующими агрохимическими показателями: рН_KCl 5.5, содержание гумуса (по Тюрину) 1.3–1.5%, подвижного фосфора (Р₂О₅) по Кирсанову и калия (K₂О) соответственно 110–209 и 115–146 мг/кг почвы.

Учет урожайности в годы полевого опыта проводили сплошным методом, массу 1000 зерен определяли по ГОСТ 10842-89, натуру зерна – по ГОСТ 10840-64. При анализе товарной и нетоварной частей урожая определяли: общий азот по Кьельдалю по ГОСТ 134964-93, фосфор по Дениже – ГОСТ 26657-97, калий на пламенном фотометре по ГОСТ 30504-97. В почвенных образцах определяли: содержание органического вещества – по методу Тюрина – ГОСТ 26213-91, рН_KCl – потенциометрическим методом, содержание подвижного фосфора и калия – по Кирсанову [1]. Микробиологические исследования проводили молекулярным методом на кафедре агрохимии и биохимии растений МГУ им. М.В. Ломоносова [7]. Статистическую обработку данных выполняли по Доспехову с использованием компьютерной программы STRAZ [2].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Согласно полученным экспериментальным данным в характерных вариантах полевого опыта, приведенным в табл. 1, среднегодовая продуктивность севооборота с учетом побочной продукции за 4 ротации (в течение 30 лет) составила без внесения удобрений 27.64 ц кормовых единиц (к. ед.) с 1 га. При этом величина урожая зависела от видов удобрений, их сочетаний и вносимых доз.

Высокая продуктивность севооборота – 39.95 ц/га к. ед. в опыте была достигнута при действии минеральной системы удобрения, где прибавка к контролю составила 12.31 ц к. ед./га, или 44.5% от контроля. Органическая система при ежегодном внесении 9 т/га навоза за указанный период обеспечивала сбор кормовых единиц на уровне 34.14 ц/га, то есть достоверно уступала минеральной системе (при НСР₀₅ = 5.2 ц к. ед./га).

В то же время применение органо-минеральных систем удобрений давало достаточно высокую продуктивность севооборота 37–38.5 ц к. ед. с 1 га, существенно не уступающую по этому показателю варианту с минеральной системой.

При анализе продуктивности культур в органо-минеральных вариантах с последовательным ростом доз удобрений достоверного ее увеличения не установлено. При этом использование максимальных, 4–5-кратных доз удобрений в течение 30-ти лет приводило, на уровне тенденции, даже к некоторому уменьшению прибавок урожайности – до 34–34.7%. Изменение урожайности отдельных культур севооборота по годам полевого опыта в течение 30-ти лет действия удобрений показано на рис. 1. Из приведенных данных отчетливо видно, что применение органо-минеральной системы удобрений способствовало стабильному повышению урожайности культур севооборота по отношению к контролю практически во все годы проведения исследований. Исключение составил только 1994 г., когда не было получено полноценного урожая озимой зерновой культуры из-за неблагоприятных метеоусловий, сложившихся для растений в фазу осеннего кущения в 1993 г.

Рис. 1.

Урожайность культур севооборота по годам опыта. Здесь и на рис. 2: 1 – контроль, 2 – N90P90K90 + навоз 9 т/га.

Как известно, при проектировании систем удобрения сельскохозяйственных культур важное значение имеет учет последействия вносимых удобрений. В условиях проведенного опыта в результате систематического применения органических и минеральных удобрений в течение 30-ти лет в вариантах с удобрениями в зависимости от их доз и сочетаний сложились разные уровни обеспеченности почвы питательными веществами. Эффективность последействия этих уровней плодородия почвы определяли в последней, пятой ротации севооборота, когда внесение удобрений по разработанной ранее схеме было прекращено, а применяли фоном только поддерживающую весеннюю азотную подкормку в низкой дозе – 45 кг N. Определение урожайности культур севооборота, возделываемых в пятой ротации, приведено в табл. 2, из которой следует, что в среднем за 7 лет последействия удобрений (2009–2015 гг.) достоверные прибавки обеспечивались только в вариантах с использованием навоза. Так, в варианте органической системы (вариант 6) значимая прибавка урожайности составила 7.8 ц к. ед. с 1 га (34.3%). В вариантах органо-минеральных систем (варианты 7–11) при внесении всех исследуемых доз – от единичных до пятикратных также отмечались существенные прибавки урожайности, которые колебались от 9.4 до 16.2 ц к. ед. с 1 га, составившие от 41.4 до 71.3% по сравнению с контролем. При этом наибольший прирост урожайности культур севооборота в последействии удобрений отмечен в органо-минеральных вариантах с повышенными, 4–5-кратными дозами.

При использовании органо-минеральных систем удобрений как в действии, так и в последействии наблюдалось не только увеличение продуктивности всех возделываемых культур, но и устойчивый выход к. ед. с единицы площади по годам опыта. Об устойчивости агроценозов при оптимизации систем удобрений свидетельствуют также данные, полученные в последействии удобрений. Это, в частности, прослеживается в пятой ротации зернотравяного севооборота при сравнительном анализе продуктивности возделываемых культур на контроле без удобрений и в варианте с трехкратными дозами удобрений – N90P90K90 + навоз 9 т/га (рис. 2).

Рис. 2.

Урожайность сельскохозяйственных культур в пятой ротации полевого севооборота.

В опыте определен коэффициент парной корреляции средних урожаев сельскохозяйственных культур в действии органических и минеральных удобрений с теми же вариантами в последействии, который составил 0.56. Что касается уровня продуктивности севооборота в последействии удобрений, то он был ниже, чем в вариантах прямого их действия на 15%.

Изучение динамики агрохимических свойств дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы в годы опыта показало ее зависимость от уровня вносимых удобрений. На контроле, где удобрения не применяли, в конце опыта отмечено резкое уменьшение содержания гумуса в почве по сравнению с исходным его содержанием (на 28 и 29% в четвертой и пятой ротациях севооборота соответственно). При этом ухудшалась также обеспеченность почвы подвижными соединениями фосфора и калия.

При использовании минеральной системы потери гумуса в почве составили в действии удобрений 22% и в последействии (к концу пятой ротации) – 32%, то есть более высокими они были после прекращения внесения удобрений.

В варианте органической системы содержание гумуса в почве во время проведения опыта сокращалось меньшими темпами, и потери почвенного органического вещества при этом составляли 16 и 26% в четвертой и пятой ротациях севооборота соответственно.

Еще более низкие потери гумуса в почве в эти же сроки были в вариантах органо-минеральных систем, составившие в среднем 12 и 21% в конце четвертой и пятой ротаций соответственно. При этом по органо-минеральной системе в умеренных дозах (N90P90K90 + 9 т/га подстилочного навоза) после 30 лет систематического их применения достигался бездефицитный баланс гумуса в почве, хотя после прекращения внесения удобрений в этом варианте в пятой ротации были отмечены потери органического вещества почвы в размере 21%.

С применением органо-минеральных систем удобрений к концу опыта улучшалась обеспеченность почвы подвижным фосфором, но при этом уменьшалось содержание в почве калия, за исключением варианта с максимальными дозами – N150P150K150 + 15 т/га подстилочного навоза.

Важное значение в определении устойчивости агроценозов имеет оценка микробиологического статуса почвы [13–17]. Результаты по общей численности микроорганизмов, полученные в конце опыта, то есть после 30-летнего применения удобрений, свидетельствуют о высоком эффекте систем удобрений с использованием подстилочного навоза (рис. 3).

Рис. 3.

Общая численность микроорганизмов в дерново-подзолистой легкосуглинистой почве в зависимости от удобрений.

При систематическом внесении органо-минеральной системы в умеренных дозах – N90P90K90 + + 9 т/га подстилочного навоза (вариант 9) – общая численность микроорганизмов была достаточно высокой и составляла 59.8 × 10⁶ кл./г, или на 28% больше контроля. Максимальных значений в условиях опыта этот показатель достигал при использовании органо-минеральной системы удобрений в повышенных дозах – N120P120K120 + 12 т/га навоза (вариант 10) и органической системы в виде подстилочного навоза в ежегодной дозе 9.6 т/га (вариант 6), где он составлял соответственно 82.5 и 66.4 × 10⁶ кл./г, что на 76 и 42% превышало контроль. В то же время на фоне последействия минеральных удобрений почва характеризовалась низкими значениями микробной численности.

ВЫВОДЫ

1. Исследованиями, выполненными в полевом опыте на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве в Смоленской области, установлено, что длительное систематическое применение органических и минеральных удобрений при оптимизации их доз и сочетаний явилось важным фактором повышения продуктивности и устойчивости сельскохозяйственных культур, возделываемых в севообороте.

2. Лучшие результаты по продуктивности и устойчивости агроценозов получены при использовании органо-минеральной системы удобрений в умеренных дозах – N90P90K90 + навоз 9 т/га, которая в действии в среднем за 30 лет опыта обеспечивала продуктивность севооборота на уровне 3.79 т/га кормовых единиц, или на 37% больше контроля без внесения удобрений. При этом складывался бездефицитный баланс гумуса в почве, улучшалась обеспеченность почвы подвижным фосфором, повышалась ее микробиологическая активность.

3. Органическая система удобрений при ежегодном внесении 9 т/га подстилочного навоза в условиях опыта обеспечивала сбор к. ед. на уровне 3.41 т/га, то есть занимала среднее положение по продуктивности севооборота при сравнении с органо-минеральной и минеральной системами, а также по сохранению плодородия почвы в отношении ее гумусового состояния и реакции среды.

4. В последействии достоверные прибавки урожайности культур севооборота получены только в вариантах систем удобрения с использованием подстилочного навоза, то есть органической и органо-минеральной систем с внесением всех исследуемых доз – от единичных до пятикратных.

5. Исследования микробиологической активности почвы показали высокий эффект последействия органической и органо-минеральной систем удобрения. В органо-минеральном варианте с умеренными дозами удобрений – N90P90K90 + 9 т/га подстилочного навоза – общая численность микроорганизмов составляла 59.8 × 10⁶ кл./г, что превышало контроль на 28%. В вариантах последействия минеральных удобрений почва характеризовалась низкими значениями микробной численности.