CC BY
126
УДК 631.872
ВОСПРОИЗВОДСТВО ПЛОДОРОДИЯ ПОЧВ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ БИОРЕСУРСОВ
И.В. Русакова, к.б.н.
Лаборатория агробиотехнологий использования растительных остатков, e-mail: rusakova.iv@yandex.ru
В статье изложены результаты многолетних научных исследований в полевых опытах и производственных условиях по оценке влияния применения возобновляемых ресурсов агробиоценозов (соломы зерновых, зернобобовых культур, промежуточных сидератов) в сочетании с минеральными удобрениями, бесподстилочным навозом и птичьим пометом, микробиологическими препаратами на воспроизводство плодородия дерново-подзолистой и серой лесной почв.
Ключевые слова: солома, минеральные удобрения, пожнивной сидерат, бесподстилочный навоз, помет, микробиологические препараты, воспроизводство плодородия почв.
REPRODUCTION OF FERTILITY OF SOILS ON THE BASIS OF USE OF RENEWED BIORESOURCES
I.V. Rusakovа
In the article results of long-term scientific researches in field experiences and industrial conditions according to influence of application of renewed resources agrobiocoenonosis (straw of grain and leguminous cultures, intermediate green manure) in a combination to mineral fertilizers, liquid manure and the bird's dung, microbiological inoculants on reproduction fertility sod-podzolic and grey forest soils are stated.
Keywords: straw of grain and leguminous cultures, mineral fertilizers, intermediate green manure, liquid manure, bird's dung, microbiological inoculants, reproduction fertility soils.
В большинстве регионов РФ вынос элементов питания с урожаем сельскохозяйственных культур превышает их поступление в почву, что приводит к некомпенсированному расходу ресурсов и снижению плодородия пахотных почв. В условиях недостаточного производства и применения органических (около 50 млн. т в год, или менее 1 т/га посевной площади) и минеральных удобрений (в среднем 36 кг/га) особенно актуальна задача интенсификации использования возобновляемых биоресурсов, поддерживающих механизмы саморегуляции в агроэкосистемах и замкнутость биогеохимических циклов биофильных элементов.
По расчетам ГНУ ВНИИОУ, в России ежегодно накапливается около 120 млн. т послеуборочных растительных остатков сельскохозяйственных культур отходов, до 80% которых составляет солома зерновых и зернобобовых культур. В связи с сокращением поголовья скота и бесподстилочным содержанием животных объемы соломы, применяемой в животноводстве, значительно сократились. В земледелии в качестве удобрения солому до сего времени используют в недостаточных объемах и крайне нерационально (не более 20% валового сбора), в тоже время во многих регионах России, продолжают практику ее сжигания. При таком варварском способе утилизации растительных остатков из биологического круговорота выводится до 20-25 млн. т углерода и 250 тыс. т азота, дымом, атмосферный воздух загрязняется оксидами углерода и азота, «черным углеродом», достигающим широт Арктики. В связи с этим в последние годы в России и за рубежом все большую озабоченность вызывает проблема экологически безопасной утилизации растительных отходов с повторным вовлечением огромных ресурсов органического вещества и питательных элементов в биологический круговорот.
С соломой зерновых и зернобобовых культур, при использовании ее на удобрение в объемах около 50% валового сбора, или 43-64 млн. т, ежегодно можно возвращать
в почву до 1134 тыс. т д.в. №К (60% от уровня внесения с минеральными удобрениями), 17-26 млн. т углерода, фиксированного из атмосферы в результате фотосинтеза, на 6,3 млн. т обеспечить восполнение запасов гумуса (до 160-200 кг на каждую тонну соломы), накопление до 250 тыс. т биологически фиксированного азота.
В длительном полевом опыте на дерново-подзолистой супесчаной почве с 1997 г. изучают эффективность внесения соломы зерновых и зернобобовых культур 5-польного зернопропашного севооборота (озимая пшеница, люпин, картофель, ячмень, однолетние травы) на фоне средних доз минеральных удобрений (К60Р51К57). Установлено, что возврат нетоварной части урожая в почву обогащает пахотный слой фитомассой, свежим органическим веществом, приводит к существенным (краткосрочным и долгосрочным) изменениям активности, численности и биомассы почвенного микробного сообщества, увеличивает эффективную и потенциальную биологическую активность (БА) почв, активизирует гумификационные процессы и накопление гумуса (табл. 1).
Внесение соломы 27 т/га за 3 ротации севооборота обеспечило повышение в пахотном слое дерново-подзолистой супесчаной почвы содержания Сорг на 0,060,08% (абс.) и увеличение его запасов на 2055-2445 кг/га, что соответствует среднегодовому воспроизводству органического углерода в размере 137-163 кг/га, или 76-91 кг на 1 т соломы (рис. 1). Учитывая, что содержание углерода в соломе составляло в среднем 40%, коэффициент гумификации, т. е. доля органического углерода соломы, вошедшего в состав гумуса, составил 0,190,23. Полученные результаты хорошо согласуются с данными зарубежных исследователей. Так, согласно данных длительных опытов Германии по расчету баланса гумуса VDLUFA (Союз немецких сельскохозяйственных аналитических и научно-исследовательских институтов), репродукция С-гумуса составляет 80-110 кг/т соломы в зависимости от типа почвы [1].
1. Биологическое и гумусное состояние дерново-подзолистой почвы _в конце третьей ротации севооборота_
Показатель Вариант
без удобрений NPK-фон фон + солома, 27 т/га солома, 27 т/га
Суммарная относительная БА, % 100 160 232 173
Актуальная целлюлозолитическая БА, % 15,3 18,7 28,1 17,9
Нитрификационная способность, мг/кг почвы 3,1 5,3 8,2 6,5
Численность микроорганизмов, тыс. КОЕ/г почвы: - протеолитических - целлюлозолитических 7590 13,5 12470 23,9 17530 29,7 12610 20,9
Смб, мг/кг 330 322 406 365
Смм, кг/га 990 2614 4846 5406
Св, мг/кг 73 69 84 78
Сэгв, мг/кг 146 159 179 161
Слаб, мг/кг 797 794 883 883
Рис. 1. Динамика органического углерода в дерново-подзолистой почве за 3 ротации зернопропашного севооборота
220
200
80
1.Без удобрений "Ж 2.ЫРК
""о..., Э.ЫРК+солома 27 т/га \ 7.Солома 27 т/га
01.09.2002 28.05.2005 22.02.2008 18.11.2010 14.08.2013
14.01.2004 10.10.2006 06.07.2009 01.04.2012
Дата
Рис. 2. Многолетняя динамика углерода, экстрагируемого горячей водой (Сэгв) в дерново-подзолистой почве опыта
Почвенное органическое вещество (ПОВ) весьма гетерогенно и представлено по меньшей мере двумя пулами: легкоразлагаемое и инертное. Свежие растительные остатки пополняют пул лабильного, легко разлагаемого ПОВ, включающего наиболее активную и реакционно-способную его часть, с которым связаны краткосрочные круговороты углерода, азота и интенсивность микробной деятельности, что очень важно для поддержания высокого уровня эффективного плодородия почв.
Анализ многолетней динамики различных форм легкоразлагаемого углерода - водорастворимого (Св), экстрагируемого горячей водой (Сэгв), лабильного (Слаб), микробного (Смб), углерода мортмассы (Смм) - показал, что регулярное внесение соломы позволяет поддерживать запасы этих фракций на более высоком уровне по сравнению с вариантом без удобрений и вариантом №К (табл. 1, рис. 2 и 3).
Одним из основных факторов, лимитирующих получение высоких урожаев сельскохозяйственных культур, являются неблагоприятные агрофизические свойства пахотных почв. Деградации структурного состояния в большей степени подвержены слабо-гумусированные почвы легкого гранулометрического состава, бедные такими структурообразователями, как гуминовые кислоты, глинистая и илистая фракции, ионы Са2+. Эти почвы более чувствительны к изменениям в содержании органического вещества и поэтому использование на удобрение послеуборочных остатков - один из эффективных, малозатратных способов улучшения показателей их плодородия.
По результатам изучения структурно-агрегатного состава почвы установлено, что внесение растительной биомассы наиболее заметно влияло на содержание глыбистой фракции, которое уменьшилось на 11-28% по сравнению с вариантом без удобрений и вариантом №К, при этом коэффициент структурности возрос на 28-41%. Следует отметить заметное увеличение в вариантах с систематическим внесением соломы содержания агрегатов фракции 1-3 мм, которая считается агрономически наиболее ценной, что объясняется острук-туривающим действием лабильных органических веществ и микробных метаболитов, образующихся в процессе трансформации соломы. Следует подчеркнуть, что для легких супесчаных почв при незначительном количестве других структурообразо-вателей (ила, поглощенных оснований) их сельскохозяйственное использование должно сопровождаться обязательной организацией бездефицитного углеродного бюджета, т.к. физическое плодородие этих почв определяется в основном аккумуляцией органического вещества. В условиях дефицита свежего органического вещества в этих почвах достаточно быстро может развиваться физическая деградация: уплотнение, дезагрегация, потеря водопрочности структуры, ухудшение водоудержи-вающей способности, влагопроводно-сти и влагоемкости.
В 1 т соломы зерновых и зернобобовых культур содержится в среднем 18 кг №К. Использование ее без отчуждения с поля с заделкой в пахотный слой почвы обеспечивает возврат в почву 50-90 кг/га №К, 20-26% азота,
21-34% фосфора, 60-74% калия от общего выноса урожаем. В сумме за годы исследований в опыте с дозой соломы 27 т/га было внесено 270-300 кг К2О, и в конце 3-ей ротации севооборота в вариантах с использованием соломы отмечено увеличение содержания обменного калия на 27-30 мг/кг в пахотном слое (рис. 4).
Продуктивность 5-польного зер-нопропашного севооборота в третьей ротации составила 83,5 ц зерн.ед/га в варианте без удобрений. Ежегодное применение средних доз минеральных удобрений повысило продуктивность на 33,5 ц зерн.ед/га, трехкратное внесение соломы (озимой пшеницы, люпина и ячменя) на фоне №К обеспечило дополнительное получение 17,1-18,9 ц зерн.ед/га. Продуктивность севооборота в варианте с трехкратным внесением соломы без №К была на 19,4 ц зерн.ед/га выше по сравнению с вариантом без удобрений. Многократное использование соломы с разнокачественным биохимическим составом не сопровождалось ухудшением фитосанитарного состояния почв и посевов и обеспечило получение в расчете на 1 т соломы в третьей ротации зернопропашного севооборота 1,1-2,1 ц зерн.ед/га, что в 1,7-1,8 раз выше, чем за 2 предыдущих ротации (табл. 2).
Один из приемов повышения эффективности соломы - запашка ее с биомассой пожнивных сидеральных культур, которые целесообразно высевать после уборки и измельчения соломы озимых культур. В центральных и других областях Нечерноземной зоны РФ в качестве зеленого удобрения пригодны пожнивные посевы горчицы белой, редьки масличной, фацелии, рапса ярового и озимого. После уборки зерна измельченную и равномерно распределенную по поверхности поля солому с компенсирующей дозой азота заделывают в верхнюю часть пахотного слоя дискованием, высевают сидеральную культуру, лучше всего семейства крестоцветных. Через 50-60 дней, когда сидеральная культура формирует до 100-200 ц/га и более зеленой массы и вступает в фазу цветения, ее скашивают (при высокой урожайности - измельчают) и производят зяблевую вспашку.
Солома озимой пшеницы с широким соотношением С и N (76,9) и зеленая масса пожнивной горчицы с высоким содержанием азота (более 2%) являются контрастными по биохи-
550 500 450 400 350 300
0 250
/ 200 г
п
1 150 ы
100
1. Без удобрений
2. ЫРК-фон
3. Фон+солома 27 т/га
4. Фон + солома 27 т/га 7. Солома 27 т/га
Рис. 3. Мнсголетняя динамика микробного углерода (Смб)
в почве опыта
220 200 180 160
25 ш
о 140 120
О
100 80 60 40
Без удобрений ЫРК
о ЫРК+солома 27т/га
. Солома 27 т/га
« □
п..---""0"" 1
г, --■ □ □ „
..а- о □
.Д-'й
.....'О о
А'"о па
« 2п *о 5 ♦
ГО-Т5—ОТ
—О-
о о
02.09.1998 21.08.2001 24.08.2005 13.08.2008 02.08.2012
25.04.2000 05.05.2004 24.04.2007 05.05.2010
Годы
Рис. 4. Динамика содержания обменного калия в пахотном слое дерново-подзолистой почвы
мическому составу и биодоступности органическими субстратами. С учетом этого, использование соломы зерновых культур в комбинации с зеленой массой сидератов более оптимально по сравнению с раздельным их внесением. При их сочетании и совместном внесении соотношение углерода и азота в фитомассе становится более благоприятным (С^ = 28,9) для жизнедеятельности почвенной микрофлоры. В результате снижается слишком высокая интенсивность минерализации сидеральной биомассы и непроизводительные потери азота, а лигнино-целлюлозный комплекс в соломе становится более доступным для микрофлоры. Свежее органическое вещество и элементы питания, возвращенные в почву с соломой и фитомассой сидератов, способствуют оптимизации гумусового и биологического состояния почв, а также сохранению и накоплению гумуса. В полевом опыте заделка в почву соломы озимой пшеницы (СОП) в комбинации с биомассой пожнивной горчицы (ПС) способствовала опти-
2. Урожайность и продуктивность культур в третьей ротации зернопропашного севооборота
Вариант Урожайность, ц/га Продуктивность,
ц зерн.ед./га
озимая пшеница (2007-2008 гг.) люпин (20082009 гг.) картофель (2009-2010 гг.) ячмень (20102011 гг.) однолетние травы (2011-2012 гг.) суммарная среднегодовая
Без удобрений 17,6 8,3 122 11,8 30,0 83,5 16,7
№К-фон 19,8 9,0 178 23,2 42,2 117 23,4
Фон + солома, 21,3 10,4 207 26,7 53,7 135,9 27,2
27 т/га
Солома, 27 т/га 23,3 8,8 146 17,0 34,5 102,9 20,6
3. Урожайность люпина и картофеля при использовании
Вариант Люпин (зерно) (в среднем 2008-2009 гг.) Картофель (в среднем 2009-2010 гг.)
урожайность, прибавка урожайность, прибавка
ц/га ц/га % ц/га ц/га %
Без удобрений 8,3 - - 122 - -
№К-фон 9,0 0,7 8 178 56 46
Фон + СОП 10,3 2,0 24 204 82 67
Фон + СОП + ПС (осенью) 11,3 3,0 36 222 100 82
Фон + СОП + ПС (весной) 11,0 2,7 33 202 80 66
НСР05 1,2 25
Примечание: СОП - солома озимой пшеницы, СЛ - солома люпина, ПС пожнивный сидерат.
мизации биологического и гумусного состояния пахотного слоя, увеличению эффективного плодородия дерново-подзолистой почвы и получению достоверных прибавок урожая люпина и картофеля по отношению к контролю без удобрений и варианту №К. Максимальное увеличение урожайности этих культур, составившее для люпина 3,0 ц/га (36%), для картофеля 100 ц/га (82%), отмечено на варианте с осенней заделкой СОП и ПС (табл. 3).
Совместное применение соломы и бесподстилочного навоза КРС (БН) - один из наиболее рациональных способов их использования, который по агрономической эффективности, как правило, не уступает эквивалентным дозам подстилочного навоза (ПН), но более эффективен по экономическим соображениям из-за исключения затрат на производство и хранение. Комбинация БН с соломой, содержащей 80-84% сухого вещества и до 43% углерода, обеспечивает благоприятные условия для жизнедеятельности почвенной микрофлоры и биологической иммобилизации избыточного количества минерального азота, содержащегося в БН, снижение вымывания нитратов и непроизводительных газообразных потерь азота, достигающих из-за денитрификации значительных величин, особенно на легких песчаных и супесчаных почвах. При этом можно экономить на минеральных удобрениях.
По результатам полевого опыта пахотный слой дерново-подзолистой почвы в варианте с совместным использованием СОП (3 т/га) и полужидкого БН характеризовался более высокой биогенностью по сравнению с вариантом БН как в год действия, так и в последействии. Здесь отмечено максимальное (245%) значение суммарной биологической активности, и получена достоверно более высокая прибавка урожайности картофеля (61 ц/га), чем при применении одного БН (44 ц/га), которая была на уровне варианта с подстилочным навозом (55 ц/га). В целом, продуктивность звена севооборота картофель - ячмень в варианте «солома + БН» составила 51,3 ц зерн.ед/га, что соответствовало уровню продуктивности в варианте с подстилочным навозом (50,0 ц
зерн.ед/га) и на 4,9 ц зерн.ед/га выше, по сравнению с бесподстилочным навозом (рис. 5).
В настоящее время в России остро стоит проблема экологически безопасной утилизации органогенных отходов крупных птицеводческих хозяйств. Не соответствующее экологическим нормам использование птичьего помета (ПП) наносит существенный вред окружающей среде, приводя прилегающие к птицефабрикам территории в неудовлетворительное экологическое состояние, и сопровождается потерями огромного количества био-фильных элементов и органического вещества. Для решения проблемы использования 1111 в качестве удобрения непосредственно на почвах вблизи птицефабрик необходимо разработать приемы его эффективного, экологически безопасного применения, способствующие снижению потерь элементов питания, в первую очередь азота, воспроизводству почвенного плодородия и получению нормативно чистой растениеводческой продукции. В качестве одного из таких приемов изучается внесение ПП в комбинации с соломой зерновых культур, характеризующейся высоким отношением С:К
В полевом опыте установлено, что при внесении высоких доз 1111 (N200) в сочетании с соломой зерновых культур в дерново-подзолистой супесчаной почве происходят изменения в почвенном микробном комплексе: увеличение численности микроорганизмов-иммобилизаторов минерального азота - целлюлозолитических и амилолитиче-ских; рост микробной биомассы; некоторое снижение активности нитрификации, что, в целом, свидетельствует об увеличении биологической фиксации минерального азота и закреплении его в органической форме в пахотном слое, снижении миграции нитратов за пределы корнеобитаемо-го слоя и уменьшении непроизводительных потерь азота. В полевых и лабораторных опытах установлено, что добавление соломы при внесении высоких доз ПП в 1,4 раза снизило вымывание из почвы азота в нитратной форме.
Ценность соломы как удобрения определяется прежде всего высоким содержанием органических соединений -
4. Содержание лабильных форм гумусовых веществ в Апах серой лесной почвы
Юрьев-Польского ГСУ
Система земледелия Сорг, % С ^эгв Слг (0,1 м рН = 7) Сщ (0,1 н ^ОН) Предгумусовая
мг/кг почвы фракция, С кг/га
Традиционная органоми- 1,51 300 1550 2170 1800
неральная 100 2,0 10,3 14,4 4,0
Почвозащитная биологи- 1,84 550 2250 3110 2400
зированная 100 3,0 12,2 16,9 4,3
НСР05 0,12 45 279 273 396
Под чертой - содержание в Сорг, %
80-86%,представленных моно- и полисахаридами, декстринами, белками, лигнином и др., которые при поступлении в почву подвергаются микробиологической трансформации, становятся участниками всех этапов процесса гумификации и служат материальной базой, основой для формирования различных фракций гумусовых веществ.
Решить проблему наиболее эффективного использования соломы и растительных остатков можно с помощью новых технологий, базирующихся на использовании микробиологических препаратов, содержащих эффективные штаммы микроорганизмов, способных ускорять разложение послеуборочных остатков, фиксировать атмосферный азот, увеличивать доступность почвенных запасов фосфора и калия, подавлять развитие вредных организмов. В результате оценки эффективности методов утилизации растительных остатков с использованием микробиологических препаратов Баркон и Экстрасол ЦС (ГНУ ВНИИСХМ), содержащих активные штаммы лигнин- и целлюлозоразлагающих микроорганизмов, установлено, что они для инокулирования стерни и соломы зерновых культур стимулируют рост численности и биомассы почвенной сапрофитной микробиоты, способствуют увеличению коэффициента гумификации пожнивных остатков на 52-66%, повышению содержания в почве общего органического и легкоразлагаемого углерода, устраняют фитотоксичный (депрессирущий) эффект при использовании соломы в качестве удобрения, положительно влияют на рост и развитие растений [2].
Применение биопрепаратов-деструкторов, способствующих наиболее полной трансформации растительной биомассы, особенно актуально и эффективно при использовании высоких доз соломы в специализированных, насыщенных зерновыми культурами севооборотах, заделке растительных остатков под зерновые (озимые) культуры, в ресурсосберегающих технологиях, т.е. в тех ситуациях, когда необходимо обеспечить условия скорейшего разложения растительной биомассы, применяемой в качестве удобрения, для предотвращения ее негативного влияния и усиления положительного действия.
Систематическое применение соломы на удобрение (четырехкратно за ротацию 8-польного зернотравяного севооборота, в среднем 2,5 т/га ежегодно) - один из основных элементов почвозащитной биологизированной системы земледелия, в течение 24 лет применяемой на серых лесных почвах Владимирского ополья в Юрьев-Польском ГСУ. Исследованиями ВНИИОУ по агроэко-
логической оценке этой системы установлена высокая ее эффективность в отношении воспроизводства плодородия пахотной серой лесной почвы. Так, пахотный слой почв ГСУ характеризовался стабильно более высокими, чем при традиционной системе земледелия, биологическими показателями плодородия: численности целлю-лозоразлагающих, нитрифицирующих, азотфиксирую-щих бактерий, содержания микробной биомассы и суммарной биологической активности (рис. 6).
Изучение содержания и качественного состава почвенного органического вещества показало, что регулярная заделка соломы в почву, обеспечивающая возврат в пахотный слой ежегодно более 1000 кг органического углерода, способствовала повышению запасов гумуса, а также активных, наиболее агрономически ценных фракций почвенного органического вещества, способных к быстрым трансформациям, снабжению растений азотом и другими элементами питания и тесно коррелирующих с урожайностью: Слаб - в 1,45; Свод - в 1,83; предгуму-совой фракции - в 1,33 раза (табл. 4). Эти формы гумуса определяют скорость и емкость биологического круговорота, фонд доступных элементов питания растений, служат основным источником энергии для осуществления микробиологических процессов, в том числе, азот-фиксации, поддерживают благоприятное структурное состояние почв. Регулярное обогащение свежим органическим веществом способствовало увеличению коэффициента структурности содержания водопрочных агрегатов в 1,15 раза, снижению плотности сложения до оптимальных величин - 1,15-1,22 г/см2.
Оптимизация показателей плодородия серой лесной почвы способствовала устойчивому росту продуктивности зернотравяного севооборота. За 3 ротации сбор зерна с посевной площади возрос на 33,6%, начиная со 2-ой ротации, достигнута устойчиво высокая продуктивность зерновых культур на уровне 50-58 ц зерн.ед./га.
Таким образом, использование растительных остатков на удобрение без отчуждения с поля, исключая сжигание, обеспечивает экологически безопасную их утилизацию, возврат в почву элементов питания и углерода, экономию трудовых и материальных затрат. Приемы повышения эффективности применения соломы на удобрение способствуют сохранению и воспроизводству плодородия почв и позволяют получить прибавки урожайности с получением экономического эффекта.
Литература
1. www.tvh-humus.de
2. Русакова И.В. Ресурсосберегающие технологии использования растительных остатков // Агрохимический вестник, 2012, № 3. - С. 40-42.
