CC BY
45
УДК 631.582.1.432
биологическим круговорот органического
вещества и элементов питания в
короткоротационных севооборотах
В.Ф. КАМИНСКИЙ1, доктор сельскохозяйственных наук, член-корреспондент НААН, директор
Д.В. ЛИТВИНОВ1, кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник-
Н.Л. ШАРОНОВА2, кандидат биологических наук, зав. отделом
Национальный научный центр «Институтземледе-лия Национальной академии аграрных наук Украины»
Ключевые слова: биомасса культур, органическое вещество, химический состав, элементы питания, короткоротационный севооборот
2 Татарский НИИ агрохимии и почвоведения Рос-сельхозакадемии
E-mail: niiaxp2@mail.ru
Резюме. Цель работы заключалась в определении количественных показателей круговорота органического вещества и биогенных элементов в короткоротационных севооборотах. Исследования проводили на базе длительного стационарного опыта в 2004-2011 гг. на Панфиль-ской опытной станции Национального научного центра «Институтземледелия НААН». Почва - чернозем типичный неглубокий, малогумусный. Большую часть биомассы зерновых культур (67...91%) удаляли за пределы поля с урожаем, а 9.33% поступало в почву с растительными остатками, за исключением многолетних трав, доля возврата у которых достигала 57%. Общее количество питательных элементов, поступавших в почву с растительными остатками, у бобовых трав (клевер, люцерна) составляло 201 кг/га, в том числе 140 кг/ га азота, 26 кг/га фосфора и 35 кг/га калия; у зернобобовых, зерновых и пропашных культур - 52.85 кг/га, в том числе азота - 28.52 кг/га, фосфора - 6.14 кг/га и калия -18.30 кг/га. Выход биомассы в различных по структуре и набору культур четырехпольных и пятипольных севооборотах был равен 46.63 т/га, трехпольных - 34.41 т/га, двупольных - 17.20 т/га, вынос с поля с урожаем - 67.76, 70.83 и 71.81% соответственно. Среди изучаемых двух-пятипольных севооборотов наилучшие показатели по количеству и качеству растительных остатков, поступающих в почву за период ротации, отмечены в севообороте с многолетними травами: количество биомассы, возвращаемое в почву, в том числе с корнями - 33%, вынос - 67%.
Для разработки научно обоснованных мероприятий по повышению биопродуктивности почвы важное значение имеет определение параметров биологи-
Таблица 1. схема длительного опыта по изучению короткоротационных севооборотов на Панфильской опытной станции ннц «институт земледелия нААн»
№
Чередование и удобрение культур в севообороте
I
II
1 горох
I
III
IV
V
На 1 га пашни
навоз (т) NlPlK.
пшеница озимая
2
кукуруза на зерноячмень яровой
кукуруза на зерноячмень
Я60Р40К60 Яр°воК
Я60Р40К60
кукуруза на зерноячмень Я60Р40К60 + 40 т/га яровой,
навоза Я60Р40К60
кукуруза на зер- ячмень но, 40 т/га навозаяровой кукуруза на зер- ячмень побочная озимая, побоч- но, 40 т/га навоза яровой, продукцияная продукция + побочная про- побочная предше- предшествен- дукция предше ственниканика ственника
горох, N P K
О 30 40
горох, N P K
О 30 40
4 горох
5 горох,
пшеница озимая N60P60K60
пшеница озимая
я Р К
60 60 60
пшеница озимая
пшеница
45 42 55
горох,
N0P30K40
горох, N P K
0 30 40
8 гречиха, NPK
30 40 40
9 гречиха, NPK
30 40 40
10 соя,
N P K
0 30 40
11 соя,
N P K
0 30 40
12 соя,
N0P30K40
13 горох, N P K
0 30 40
14 многолетние бобовые травы,
Я0Р30К40
15 гречиха, Я Р К
30 40 40
16 подсолнечник, Я Р К
90' 60/90
+ 20 т/га навоза
пшеница ози мая
свекла сахарная,
продукция предшественника ячмень
10
10 10 +по-бочная продукция пред-шествен-ника
45 42 55
'60 90 100 100
га навоза
NPK
60 40 60
ячмень
пшеница ози- овес,
мая, N60P60K60 N60P40K60 + 40 т/га
навоза N60P40K6
пшеница ози- свекла сахарная,
маЯ N60P60K60 N90P100K100 + 30 T/
га навоза
пшеница ози мая
ячмень яровой,
N60P60K60 N60P40K60 + 30 т/га
пшеница ози мая
навоза кукуруза на зер-
10
10
10
10
52 57 65
45 42 55
60 67 67
50 47 53
N PK но N PK +
60 60 60 60 40 60
30 т/га навоза
пшеница яровая, N60P60K60
кукуруза на зерно, NPK
60 40 60
кукуруза на зерно,
Я60Р40К60 + 30 т/га навоза
кукуруза на зерно,
Я60Р40К60 + 30 т/га гною
10 40 43 53
10 40 43 53
пшеница ози- подсолнечник,
маЯ N60P60K60 N90P60K90 +20 Т/га
навоза
ячмень яровой, NPK
60 40 60
кукуруза на зерно, NPK
60 40 60
+ 30 т/га навоза
10
10
пшеница ози мая
N60P60K60 но
кукуруза на зер-
NPK
60 40 60
ячмень яровой с подсевом трав, NPK
пшеница озимая, N60P60K60 пшеница яровая, N60P60K60
10
40 37 53
54 46 62
45 42 55
45 50 50
75 60 75
3
6
7
Таблица 2. Круговорот биомассы полевых культур в короткоротационных севооборотах на черноземах
(усредненные данные за 2004-2011 гг.)
Культура Биомасса растений, т/га сухого вещества Соотношение между надземной частью биомассы и растительными остатками
зерно, корнеплоды сено, солома, ботва растительные остатки общая биомасса в том числе
всего в том числе корневые отчуждается с поля поступает в почву с растительными остатками
всего в том числе с корнями
т/га I % т/га I % т/га I %
Люцерна-клевер - 4,63 6,20 3,89 10,80 4,63 43 6,2 57 3,89 36 1 1,34
Горох 2,19 2,85 1,01 0,81 6,05 5,04 83 1,01 17 0,81 16 1 0,20
Пшеница озимая 4,17 5,81 4,99 2,99 15,00 9,98 67 4,99 33 2,99 20 1 0,50
Пшеница яровая 2,65 3,96 2,64 1,32 9,25 6,61 71 2,64 29 1,32 14 1 0,40
Ячмень яровой 3,46 4,03 3,37 1,50 10,90 7,49 69 3,37 31 1,50 14 1 0,45
Овес 3,85 5,07 3,57 1,78 12,49 8,92 71 3,57 29 1,78 8 1 0,40
Гречиха 1,31 3,55 1,12 0,49 6,00 4,86 81 1,12 19 0,49 13 1 0,23
Кукуруза на зерно 5,65 9,52 3,34 2,43 18,51 15,17 82 3,34 18 2,43 14 1 0,22
Подсолнечник 2,86 5,10 1,79 1,52 10,75 8,96 83 1,79 17 1,52 14 1 0,23
Соя 2,15 3,18 1,60 0,85 6,93 5,33 77 1,60 23 0,85 12 1 0,30
Свекла сахарная 7,98 2,85 1,08 1,08 11,91 10,83 91 1,08 9 1,08 9 1 0,10
ческого круговорота органического вещества и элементов питания различных полевых культур. Вследствие целенаправленного использования почвы для выращивания сельскохозяйственной продукции, необходимо учитывать содержание органического вещества и элементов питания в биологической массе урожая, а также баланс питательных веществ, как один из наиболее важных факторов развития специфического (в отличие от целинного) культурного процесса почвообразования и формирования плодородия почвы [1].
При этом следует учитывать, что в зависимости от структуры посевных площадей меняется интенсивность минерализации органического вещества почвы, а также размеры его формирования и отчуждения с полей [2...5].
Цель наших исследований заключалась в определении количественных показателей круговорота органического вещества и биогенных элементов в коротко-ротационных севооборотах на черноземе.
Условия, материалы и методы. Исследования проводили на базе длительного стационарного опыта в 2004-2011 гг. на Панфильской опытной станции Национального научного центра «Институт земледелия НААН» (табл. 1). Почва - чернозем типичный неглубокий, малогумусный. Перед закладкой опыта общее содержание гумуса в пахотном слое составляло 3,15. 3,18%, подвижного фосфора - 22.25 мг/100 г почвы, обменного калия - 8.12 мг/100 г почвы. Реакция почвенного раствора слабокислая, степень насыщения почвенно-поглощающего комплекса основаниями высокая (85.90%). В 2.5-польных севооборотах выращивали такие полевые культуры, как пшеница озимая и яровая, ячмень яровой, овес, кукуруза на зерно, сахарная свекла, подсолнечник, соя, горох, многолетние бобовые травы (клевер, люцерна). В ходе исследований определяли их биомассу, включая подземную часть, количество основных элементов питания, отчуждаемых с урожаем основной и побочной продукции и поступающих в почву с послеуборочными и корневыми остатками [6] .
Учет основной и побочной продукции культур проводили весовым методом во время уборки, послеуборочных остатков - рамочным методом в трехкратной повторности на опытном участке, массы корней -общепринятым методом в той же повторности (слой почвы - 0.40 см) [7. 9].
результаты и обсуждение. Выход биомассы полевых культур находился в диапазоне от 6 т/га (гречиха) до 15.18 т/га (озимая пшеница и кукуруза на зерно). При этом большая ее часть (67.91%) выносилась за пределы поля с урожаем, а 9.33% поступало в почву с растительными остатками (табл. 2). Исключением были многолетние бобовые травы, с растительными остатками которых в почву возвращалось наибольшее в опыте количество органического вещества -6,2 т/га, что составляло 57% биомассы, в том числе 36% - корневые остатки.
По усредненным данным, ежегодно полевые культуры в сумме вовлекали в биологический круговорот от 279 до 431 кг/га основных элементов питания, наибольшая величина этого показателя отмечена в посевах бобовых трав (415 кг/га) и пропашных культур (431 кг/га). При выращивании зернобобовых, озимых и яровых колосовых величины этих показателей были ниже - в пределах 279.318 кг/га. Значительная часть суммарного количества питательных веществ в биомассе растений приходится на азот: у бобовых трав - 66%, зернобобовых культур - 58, озимых зерновых - 55%.
Доля фосфора, поступающего в биологический круговорот, варьирует от 13 до 19% суммарного количества элементов питания, самые высокие величины этого показателя отмечены в посевах озимых зерновых культур. Больше всего калия вовлекали в биологический кругооборот яровые колосовые (39% от общего количества минеральных элементов, или 108 кг/га) и пропашные культуры (43%, или 186 кг/га). В биомассе бобовых трав и зернобобовых культур на его долю приходилось 20.29% (82.87 кг/га).
Общее количество элементов минерального питания, поступающее в почву с растительными остатками, нестабильно. После бобовых трав (клевер, люцерна) отмечена самая высокая величина этого показателя -201 кг/га, в том числе 140 кг/га азота, 26 фосфора и 35 кг/га калия. У зернобобовых, зерновых и пропашных культур она была равна соответственно 52.85, 28.52, 6.14 и 18.30 кг/га.
С растительными остатками в почву возвращалось 7.34% азота, содержавшегося в биомассе, 2.6% фосфора, 6.8% калия. Самое высокое поступление питательных веществ с растительными остатками отмечено у бобовых трав: 34% азота, 6% фосфора и 8% калия.
Таблица 3. Круговорот биомассы сельскохозяйственных культур в системе севооборотов за ротацию (среднее за 2004-2011 гг.)
Вариант* Удобрение Биомасса культур (абсолютно сухое вещество)
всего, т/га в том числе
отчуждается с поля поступает в почву
с растительными остатками с корнями
т/га\ % т/га I % т/га I %
Четырехпольные севообороты
1 без удобрений 38,4 28,6 75 9,7 25 5,6 15
2 ЫРК 52,4 39,0 75 13,3 25 8,0 15
14 ЫРК 55,2 37,2 67 18,0 33 10,8 19
3 навоз + NPK 56,7 42,0 75 14,1 25 8,5 15
6 навоз + NPK 46,4 35,1 76 10,7 24 6,2 13
7 навоз + NPK 45,8 32,5 71 13,4 29 7,4 16
4 навоз 48,2 35,9 74 12,8 26 7,5 15
5 навоз + солома 46,6 34,7 74 11,9 26 7,1 15
Пятипольный севооборот
13 навоз + NPK 63,3 48 76 15,2 24 9,4 15
Трехпольные севообороты
8 навоз + NPK 31,7 24,9 79 6,7 21 4,0 12
9 навоз+ NPK 33,2 23,3 70 9,9 30 5,1 16
10 навоз + NPK 41,0 31,6 77 9,4 23 6,1 15
11 навоз + NPK 34,2 27,3 80 6,9 20 4,3 13
12 навоз + NPK 41,0 33,9 83 7,1 17 5,1 12
Двухпольные севообороты
15 ЫРК 21,2 15,1 71 6,1 29 3,4 16
16 навоз + NPK 17,9 13,9 78 4,0 22 2,6 14
*номера вариантов соответствуют таковым в табл. 1
Сравнение выхода биомассы в различных по структуре и набору культур севооборотах одинаковых по уровню применения удобрений на 1 га севооборотной площади показало, что в четырех- и пятипольных севооборотах формируется 46...63 т/га биомассы, в трехпольных - 34.41, в двупольных - 17.20 т/га, при этом с поля отчуждается соответственно 67.76, 70.83 и 71.81% (табл. 3).
В четырехпольных севооборотах с применением минеральной системы удобрений и разными парозанимающими культурами (варианты 2 и 14), наибольшая доля биомассы, возвращаемой в почву с растительными остатками, в том числе с корнями, - 33% отмечена в варианте с многолетними травами (вариант 14). Это самый высокий показатель и по сравнению с другими изучавшимися севооборотами. В случае замены систе-
мы удобрений на органо-минеральную (варианты 3, 6, 7) ведущее место по формированию биомассы занял севооборот со 100%-ным насыщении зерновыми культурами, среди которых 50% площади отведено под зерновые колосовые, а 25% - под кукурузу на зерно. В этом варианте за ротацию было накоплено 56,7 т/ га органического вещества, из которого 14 т/га приходилось на растительные остатки. В случае замены поля кукурузы на зерно на поле овса или сахарной свеклы выход биомассы составил 46,4 и 45,8 т/га, или 81.82% от ее величины в севообороте 3. Переход на сугубо органическую систему удобрения (варианты 4 и 5) привел к дальнейшему снижению формирования общей биомассы до уровня 46,6.46,7 т/га, растительных остатков - до 12. 13 т/га.
Среди трехпольных севооборотов, один из которых включает поле сахарной свеклы и два поля зерновых колосовых, а во втором сахарная свекла заменена ячменем (варианты 8 и 9 соответственно) определенным преимуществом по накоплению органического вещества характеризуется севооборот 9, особенно по количеству биомассы, возвращаемой в почву с растительными остатками. По сравнению с последним, в севооборотах 10, 11 и 12 выход органического вещества возрастает на 3.23% (до 34.41 т/га) благодаря замене гороха и яровых колосовых на сою, кукурузу на зерно и озимые зерновые. Однако при этом значительно увеличивается доля биомассы, отчуждаемой с поля урожаем.
Таблица 4. Биологический круговорот основных элементов питания в системе севооборотов за ротацию на черноземах (среднее за 2004-2011 гг.)
Содержание основных элементов питания в биомассе
Вариант* Удобрения сумма элементов питания, кг в том числе отчуждается с урожаем в соотношении N:P:K возвращается с растительными остатками
N Р К все- % всего в том числе, кг
го, кг кг 1 % N Р \ К
2 ЫРК 1251 Четырехпольные севообороты 675 220 356 969 77 3,0:1 1,6 272 23 169 43 70
14 ЫРК 1376 741 219 416 969 70 3,4:1 1,9 407 30 264 51 92
7 навоз + NPK 1179 591 205 383 911 77 2,9:1 1,8 268 23 148 47 73
3 навоз + NPK 1453 750 250 453 1150 79 3,0:1 1,8 303 21 181 46 76
6 навоз + NPK 1245 634 187 424 1034 83 3,4:1 :2,3 211 17 131 27 53
4 навоз 1191 625 211 360 941 79 3,0:1 1,7 255 21 153 39 63
5 навоз + солома 1167 586 205 376 911 78 2,8:1 1,8 256 22 153 39 64
13 навоз + NPK 1855 868 Пятипольный севооборот 305 682 1478 80 3,2:1 :2,2 371 20 186 53 132
9 навоз + NPK 874 409 Трехпольные севообороты 146 319 669 76 2,8:1 :2,2 205 24 101 34 70
8 навоз + NPK 870 382 128 355 768 88 3,2:1 :2,8 102 12 64 14 24
11 навоз + NPK 1051 510 160 351 879 84 3,2:1 :2,2 172 16 97 23 52
12 навоз + NPK 1112 580 174 354 944 85 3,4:1 :2,0 168 15 95 22 51
15 ЫРК 585 Двухпольные севообороты 276 96 213 456 76 2,9:1 :2,2 129 22 64 64 46
16 навоз + NPK 650 262 101 287 516 79 2,6:1 :2,8 134 21 49 49 72
*номера вариантов соответствуют таковым в табл. 1 Достижения науки и техники АПК, №3-2014 - 13
Наименьшее в опыте производство органического вещества отмечено в двупольных севооборотах, что дает возможность считать их неэффективными по величине этого показателя.
Определение параметров биологического и хозяйственного выноса показало, что в четырехпольных севооборотах при минеральной и органо-минеральной системах удобрения в биологический круговорот вовлекается 1 179.1453 кг/га основных элементов питания растений, при органической - 1167. 1191 кг/га, из них от 70 до 88% отчуждается с урожаем наземной массы, а от 12 до 30% возвращается в почву с растительными остатками. Общее количество NPK в пожнивно-корневых остатках в среднем по севообороту изменялось как в абсолютном выражении, так и относительно суммарного содержания в биомассе. Самая высокая в опыте средняя доля NPK в растительных остатках отмечена в варианте с многолетними травами (14) - 30%. Наименьшее суммарное содержание элементов питания в растительных остатках среди четырехпольных севооборотов установлено в варианте 6 - 211 кг/га, или 17%, в том числе N - 131, Р - 27 и К - 53 кг/га.
В трехпольном севообороте (вариант 9) общее количество NPK в биомассе составило 874 кг/га, с урожаем отчуждалось 669 кг/га (76%), а в почву возвращалось 205 кг/га (24%). В севообороте 8 замена ярового ячменя на сахарную свеклу способствовала повышению уровня отчуждения элементов питания с урожаем надземной массы до 768 кг (88%) и почти в 2 раза снизила количество элементов питания в корневых остатках (до 102 кг/га, или 12%).
Введение в трехпольный севооборот (вариант 9) поля кукурузы на зерно (вариант 12) способствовало повышению выноса NPK с урожаем основной и побочной продукции до 944 кг/га и снижению уровня поступления элементов питания в почву с растительными остатками до 168 кг.
Подобная закономерность наблюдалась и в двупольных севооборотах. С увеличением в их структуре доли пропашных культур возрастало суммарное количество элементов питания в биомассе и отчуждение их с поля урожаем с одновременным уменьшением поступления NPK в почву с растительными остатками.
выводы. Таким образом, в системе севооборотов размеры формируемого органического вещества, в том числе растительных остатков, а также общее количество питательных веществ в биомассе за ротацию определяются не только уровнем урожая основной и побочной продукции, но и в значительной мере структурой посевных площадей, а также набором культур.
С учетом необходимости оценки севооборота не только по выходу продукции, но и с точки зрения количества и качества растительных остатков, поступающих в почву за период ротации, как источника возмещения потерь гумуса, среди изучаемых в опыте вариантов приоритетное место принадлежит севообороту с многолетними бобовыми травами. В этом варианте возврат органического вещества в почву с растительными остатками, в том числе корневыми, составил 33%, а его отчуждение было наименьшим - 67%.
Литература.
1. Круговорот и баланс питательных веществ в земледелии /под общ. ред. А.В. Петербургский. Пущино. 1977.186 с.
2. Дробышев А.П. Полевые севообороты и их влияние на запасы органического вещества в черноземах Приобья Алтая// Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2013. № 5 (103). С. 13-16.
3. Иванов Е.А., Чибис В.В., Паршутин Е.И. Урожайность полевых культур при возделывании в севооборотах лесостепи Западной Сибири // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2013. № 5 (103). С. 16-20.
4. Минниахметов И. С., Мурзабулатов Б. С. Содержание гумуса в черноземе выщелоченном в различных севооборотах в условиях южной лесостепи Республики Башкортостан// Вестник Башкирского государственного аграрного университета. 2013. № 1. С. 19-21.5. Обущенко С.В. Влияние систем обработки почвы на продуктивность севооборотов и плодородие почв в условиях Самарского Заволжья // Вестник Башкирского государственного аграрного университета. 2013. № 3. С. 24-26.
5. Основнi програмн питання i методичнi рекомендацИз вивчення с1возм1н у стацюнарних дослдах/Л. I. Шилна, П.Д. Гоинчук, М.М. ермолаев, Д.В. Лiтвiнов. Kiiv, 2008. 32 с.
6. Агрохимические методы исследования почв. М.: Наука, 1975. 656 с.
7. Русин Г.Г. Физико-химические методы анализа в агрохимии. М.: Агропромиздат, 1990. С. 217-220.
8. Станков Н.З. Корневая система полевых культур. М.: Колос, 1963. 280 с.
BioLoGicAL cYdE of oRGANic MATTER AND ELEMENTs oF pLANT NUTRiTioN iN SHoRT-
TERM crop ROTAIONS V.F. Kaminskyi1, D.V. Livinov1 N.L. Sharonova2
1National Research centre «Institute of Agriculture of the National Academy of Agrarian Sciences of Ukraine»
2Tatar Research Institute of Soil Science and Agricultural chemistry of the Russian Academy of Agrarian Sciences
Summary. The purpose of research was to establish quantitative indicators of organic matter cycling and biogenic elements in short-term crop rotations. Investigations were carried out on the basis of long time experiment during 2004-2011 years, on the Panfily experimental station of the National research centre «Institute of agriculture of the national academy of agrarian sciences of Ukraine». Soil - black soil typical shallow with low humus content. According to researches it was defined that most of the biomass of cereal crops (67...91 %) alienated with the harvest of the field, and 9 ... 33% of this biomass returns to the soil with plant residues, except for perennial grasses that have 57% biomass residues. Total amount of nutrients entering the soil with plant residues after legumes (clover, alfalfa) is - 201 kg-ga, including 140 kg-ga of nitrogen, 26 kg-ga of phosphorus and 35 kg-ga of potassium. In leguminous crops and cultivated crops the amount - returned into the soil was 52...85 kg-ga , including 28...52 kg-ga of nitrogen, 6...14 kg-ga of phosphorus and 18...30 kg-ga of potassium. Biomass yield in crop rotations with different structures and cultures is set for 4-fields and 5-fileds crop rotations - 46...63 t-ga, 3-fields - 34...41 t-ga ,2-fields - 17...20 t-ga. With the harvest of biomass from the field alienated 67...76, 70...71 and 83.81%, respectively and the rest returned to the soil with plant residues. Among the studied 2-5- fields crop rotations in terms of quantity and quality of plant residues returning into the soil during the period of rotation the best parameters were marked with perennial grasses : biomass yield and its amount returned to the soil with plant residues, including the roots -33%, the share of biomass alienated - 67%.
Keywords: plant biomass, organic substance, plant nutrition elements, short-term crop rotation.
