CC BY
84
НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АПК
УДК 631.816.22:631.874.3
Владимир Назарюк,
доктор биологических наук, профессор,
Флюра Калимуллина,
кандидат биологических наук, Институт почвоведения и агрохимии СО РАН, г. Новосибирск
роль минеральных удобрений и растительных остатков при возделывании зерновых культур
Изучено влияние минеральных удобрений и растительных остатков на урожайность зерновых культур на серой лесной почве Западной Сибири. За период третьей и четвертой ротаций севооборота экологически оправданный эффект от органических удобрений получается на фоне N30P20K30 дальнейшее усиление уровня минерального питания меньше отражается на их эффективности. S u m m a r y
The influence of mineral fertilizers and plant residues on cereal yield in the condition of forest grey soil located in Western Siberia was studied. During the third and fourth crop rotation economically and ecologically effective plant productivity under the organic fertilizer application received on N30P20K30 background.
Ключевые слова: почва, севооборот, зерновые культуры, минеральные удобрения, растительные остатки, урожайность, баланс.
Keywords: soil, crop rotation, cereals, mineral fertilizers, plant residues, yield, balance.
Высокая стоимость минеральных удобрений требует поиска путей рационального их использования в агроценозах, учета складывающихся рыночных отношений в сельскохозяйственном производстве. При разработке системы питания растений необходимо, чтобы внесенные удобрения обеспечивали максимальную урожайность культур в конкретных почвен-но-климатических условиях, применение их было бы рентабельным, но не нарушало экологически устойчивого состояния в агроценозах [1]. Нередко возникает ситуация, когда интенсивное воздействие агрохими-катов на почвенный покров приводит к значительной деградации плодородия почв, что требует разработки специальных агротехнических мероприятий.
Установлено [2, 3], что удобрения активизируют продукционный процесс растений, позитивно влияют на функционирование микробоценоза, что в целом благоприятно сказывается на плодородии почв. Что касается длительного использования минеральных удобрений и растительных остатков, необходимых для повышения плодородия выпаханных почв, то такой информации явно недостаточно. С этой целью изучали эффективность сочетания минеральных удобрений и растительных остатков с большим отношением С : N в зерновом севообороте.
Многолетние исследования проводили на серой лесной почве с содержанием гумуса 4%, общего азота — 0,13%, нитратного азота — 16-22 мг/кг, обменного калия по Масловой — 12 мг, подвижного фосфора по Чирикову — 13 мг/100 г, рН водный близкий к нейтральной реакции среды.
Предотвращение дальнейшей деградации почв и повышение ее плодородия требует, в первую очередь, обеспечения бездефицитного баланса гумуса, азота и
зольных элементов в почве. Наиболее экономичным и экологически безопасным из имеющихся способов биологизации земледелия считается использование растительных остатков (солома, стерня и корни) на удобрение. С этой целью на каждую половину опытной делянки в третьей и четвертой ротации зернового севооборота продолжали вносить отчуждаемую с урожаем солому, одновременно заделывали пожнивные и корневые остатки. На фоне растительных остатков и без соломы применяли минеральные удобрения в различных дозах, вплоть до компенсирующих вынос элементов питания.
Одним из важных показателей состояния растительного организма в посеве считается рост и накопление биомассы. Эти характеристики были лучше у растений удобренных, особенно в варианте с внесением максимальной дозы N90P60K90. Активизация синтетических процессов у опытных растений привела к повышению урожайности зерновых культур за счет увеличения числа продуктивности стеблей и массы 1000 зерен. Внесение ^^^ повышало урожайность культур во все годы исследований (табл. 1).
Однако величина прибавки была разной. Минимальное повышение урожайности (около 30%) отмечали у овса в 2009 г. при внесении N ^^^ Однако в контрольном варианте данного опыта был получен достаточно высокий урожай этой культуры, что связано с биологическими особенностями растений: высокой адаптационной способностью к меняющимся погодным условиям, мощной корневой системой и активным усвоением питательных элементов из почвенных ресурсов. При выращивании пшеницы в 2010 и 2013 гг. был получен более высокий урожай, чем в условиях 2008 г., что связано с различными погодны-
37
№ 5/2014
Таблица 1
Влияние минеральных удобрений и растительных остатков на урожайность
зерновых культур, т/га
Вариант Ячмень, 2007 г. Пшеница, 2008 г. Овес, 2009 г. Пшеница, 2010 г. Ячмень, 2011 г. Овес, 2012 г. Пшеница, 2013 г. Всего за 7 лет
Контроль 1,5 0,4 5,7 1,3 1,7 0,8 1,0 12,4
Солома (С) 2,0 0,5 4,8 1,0 1,5 1,2 1,2 12,2
5,3 0,9 7,3 1,85 2,75 1,4 1,8 21,3
+С 4,1 0,9 6,5 2,1 2,5 2,9 1,9 20,9
4,8 0,9 7,4 2,65 4,5 2,15 1,7 24,1
+С 5,3 1,5 7,9 2,1 4,4 2,5 2,0 25,7
6,4 1,1 8,9 2,6 4,8 2,5 1,9 28,2
+С 6,5 1,3 8,9 2,4 4,5 3,4 2,1 29,1
НСР«5 0,3 0,1 0,4 0,13 0,2 0,2 0,12
ми условиями. У ячменя в 2007 и 2011 гг. от внесения минимальной дозы удобрений была получена разная прибавка урожая, хотя в контрольном варианте урожайность была практически одинаковой. Всего за 7 лет исследований урожайность зерновых культур в варианте ^0РК по сравнению с контролем возросла примерно на 70%.
Использование дозы ^0РК менее заметно увеличивало урожайность зерновых культур в течение всего периода исследований. Больше всего прирост урожая отмечали в течение трех лет при выращивании пшеницы (2010 г.), ячменя (2011 г.), овса (2012 г.) и отсутствие прибавки, а иногда и снижение, в другие годы исследований. Это связано с тем, что последействие минеральных удобрений постепенно усиливается при повторном их внесении и становится на определенном этапе максимальным. В дальнейшем в результате повышения отдачи от закрепленных питательных веществ в почве снижается эффект действия внесенных минеральных удобрений. Ситуация в отношении пищевого режима выравнивается и уже не наблюдается значительных отклонений в урожайности культур. Суммарная прибавка урожая за 3 и 4 ротации севооборота от внесения №„Р„„К„ относительно N Р„ К составила всего 2,8 т/га.
60 40 60 30 20 30
Последующее повышение уровня минерального питания несколько активизировало продукционный процесс растений. Максимальная прибавка урожая зерновых культур относительно контроля была получена в варианте ^0Р60К90 в 2007 и 2009 гг., несколько меньше — в 2008, 2011, 2012 и 2013 гг., в 2010 г. вообще не зарегистрировано повышение зерновой продуктивности. Отсюда видно, что в зависимости от условий года оптимальная доза удобрений на серой лесной почве в 3-4 ротации зернового севооборота находится в
пределах ^0-б0Р20-30К30-60.
Использование соломы в качестве удобрения носило нестабильный характер. Отмечали заметное и повышение, и снижение урожайности как в контрольном варианте (без удобрений), так и при минимальной дозе удобрений ^РК. В целом за 7 лет исследований заделка соломы в почву без внесения удобрений не сказалось на урожайности зерновых культур. Даже на фоне ^0РК внесение соломы не вызывало значительного
увеличения продуктивности растений. В отдельные годы наблюдали даже заметное снижение урожайности культур, например, у ячменя в условиях 2007 и 2011 гг.
Внесение соломы на повышенном уровне минерального питания дало ощутимый эффект, особенно при выращивании ячменя в 2007 г. и овса в 2009 г. Всего за 7 лет проведения опытов заделка соломы в почву на фоне ^0РК повысила урожайность зерновых культур на 1,6 т/га. Внесение соломы в сочетании с максимальной дозой минеральных удобрений уже мало сказывалось на дальнейшем повышении урожайности зерновых культур. В итоге эффект от использования соломы в качестве удобрения стабилизировался.
Снижение урожайности ряда зерновых культур при заделке в почву растительных остатков связано, прежде всего, с воздействием на почвенный гетеротрофный азотный цикл, связанный с процессами минерализации иммобилизации (см. рисунок).
Это затрагивало основные потоки азота, влияющие на содержание минеральных форм азота и усвоение их растениями. Установлено, что внесение растительных остатков активизирует также процессы несимбиоти-ческой и ассоциативной азотфиксации, так как они являются энергетическим материалом, необходимым для жизнедеятельности азотфиксирующих микроорганизмов [4]. Солома, для которой характерно большое отношение С : N оказывает большое влияние и на закрепление азота в почве, особенно в первую половину вегетации [5], в результате чего сдерживается развитие растений в фазе кущения. В этот период происходит закладка репродуктивных органов, от которой в дальнейшем зависит урожайность растений.
Различное воздействие на агроценозы, обусловленное чередованием культур и обработкой почвы, сказалось на ее азотном режиме. Исходное содержание нитратного азота перед закладкой севооборота составляло около 10 мг/кг почвы. В конце вегетационного периода содержание нитратного азота по вариантам несколько снизилось, оно изменялось мало и находилось в пределах 7,5-8,4 мг/кг почвы. Однако по годам содержание нитратного азота в почве варьировало значительно больше (от 7 до 18 мг/кг). Содержание аммонийного азота находилось на уровне 3-5 мг/кг почвы.
Азот атмосферных осадков, 4-5 кг/га
Осадки
Микробоценоз %
л --<
Минерализация
/
иммобилизация ^
Обработка почвы
Азот растительных остатков, 30-40 кг/га
I
Микробный азот
±
Несимбиотическая и ассоциативная азотфиксация, 20-30 кг/га
Валовой азот почвы в слое 0-20 см, 2600 кг/га
Рис. Основные потоки азота в зерновых агроценозах
Использование удобрений и соломы в отдельности и их сочетание сказывалось также на содержании
микробного азота. Стартовые запасы азота микробо-биомассы, установленные до посева, были, как правило, выше на удобренном фоне, а во влагообеспеченные годы этот показатель возрастал в большей степени в вариантах с внесением соломы. В период 2007-2013 гг. его величина в контрольном и удобренных вариантах находилась в пределах 60-90 мг/кг. Содержание азота микробобиомассы в уборку сильно различалось по вариантам. В контроле оно составляло около 8 мг, при внесении минеральных удобрений и соломы возрастало примерно в 2 раза, иногда сочетание этих компонентов вызвало увеличение азота микробиомассы даже в 3 раза. Отсюда видно, что внесение органического и минерального удобрений сказывается на содержании аммонийного, нитратного и особенно микробного азота в почве, ближайшем резерве азотного питания растений.
С увеличением урожайности возрастал и вынос элементов питания надземной биомассой (табл. 2). Наиболее высокое значение этого показателя отмечалось в варианте N90P60K90. Расчет баланса питательных элементов показал, что почти во всех вариантах опыта он был отрицательным и только внесение повышенных доз удобрений (N90P60K90) компенсировало в некоторой степени вынос элементов питания. При внесении соломы баланс азота складывался отрицательным для всех уровней минерального питания и положительным при внесении удобрений в дозах N60-90P40-60K60-90. Часть высвобождающегося азота усваивалась растениями, другая часть закреплялась в почве и плазме микроорганизмов.
Таблица 2
Баланс элементов питания при внесении удобрений под зерновые культуры и заделке в почву
растительных остатков за период 2007-2013 гг., кг/га
Вариант Поступило с удобрениями Вынос с урожаем Баланс
N РА К20 N рА N РА
Контроль - 286 168 615 -286 -168 -615
Солома (С) - - - 241 120 99 -241 -120 -99
210 140 210 *516 *281 *819 -306 -141 -609
М^К*. + с 210 140 210 424 203 155 -214 -63 +55
420 280 420 *655 *339 *1131 -235 -59 -711
+с 420 280 420 545 268 236 -125 +12 + 184
630 420 630 *827 *397 *1618 -197 +23 -988
630 420 630 651 299 267 -21 + 121 +363
* Вынос с урожаем и побочной продукцией
Из этих данных видно, что дополнительное поступление в почву органического вещества, являющегося источником энергии для жизнедеятельности микроорганизмов, вносит существенный вклад в азотный баланс почвы, способствуя активизации процессов иммобилизации азота и снабжению микроорганизмов доступными органическими соединениями. В итоге все это направлено на поддержание в активном состоянии лабильного органического вещества, необходимого для сохранения водно-физических свойств почвы и жизнедеятельности почвенной биоты.
Таким образом, использование минеральных удобрений в рациональных дозах в сочетании с запахи-
ванием растительных остатков позволяет сохранить плодородие почвы и существенно повысить продуктивность растений. За период третьей и четвертой ротаций севооборота максимальный эффект от внесения соломы при возделывании зерновых культур на темно-серой лесной почве наблюдалось на фоне ^^^^ дальнейшее усиление уровня минерального питания уже меньше сказывалось на ее эффективности. Без внесения минеральных удобрений заделанная в почву солома не дает требуемой отдачи, затраты на ее использование слишком значительны, они могут превышать прибыль от реализации зерновой продукции.
№ 5/2014
39
ЛИТЕРАТУРА
1. Панников Н.С., Минеев В.Г. Почва, климат, удобрение, урожай. М.: Колос, 1977. 416 с.
2. Осипов А.И., Соколов О.А. Роль азота в плодородии почв и питании растений. СПб.: Изд-во ВИЗР, 2001. 360 с.
3. Назарюк В.М. Эколого-агрохимические и генетические проблемы регулируемых агроэкосистем. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004. 240 с.
4. Мишустин Е.И. Микроорганизмы и продуктивность земледелия. М.: Наука, 1972. 343 с.
5. Назарюк В.М. Баланс и трансформация азота в агроэкосистемах. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2002. 257 с.
УДК 546.817:631.847.2
Валерий Шабаев,
доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник, Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения Российской академии наук, г. Пущино
устойчивость растении ячменя к токсическому действию свинца
при инокуляции ростстимулирующей ризосферной бактерией *
Влияние стимулирующей рост растений ризосферной бактерии на растения ячменя исследовано в серии вегетационных опытов на серой лесной почве, искусственно загрязненной водорастворимым соединением свинца. Бактериальная инокуляция уменьшила концентрацию свинца в зеленой массе растений до фазы колошения в результате временного секвестирования металла в ризосферной почве в первой половине вегетационного периода в составе относительно стабильных соединений, экстрагируемых ацетатом аммония. Применение бактерии устранило токсичность свинца и повысило массу растений, в том числе зерна до уровня как на незагрязненной почве. S u m m a r y
Effect of plant growth-promoting rhizobacterium on barley plants was examined in a series of pot experiments on gray forest soil artificially contaminated with water-soluble Pb compound. Bacterial inoculation reduced Pb concentration in shoots up to heading stage as the result of temporary metal sequestration in the rhizosphere soil in the first half of the growing season in the composition a relatively stable compounds, extractable by CH3OONH4. Application of bacterium eliminated Pb toxicity and elevated plant weight including grain up to the level as on uncontaminated soil.
Ключевые слова: ячмень, свинец, серая лесная почва, P. fluorescens 21, CH3COONH. Keywords: barley, lead, gray forest soil, P. fluorescens 21, CH3COONH4.
Свинец является токсичным и опасным загрязнителем биосферы. Источники загрязнения свинцом - выбросы промышленных предприятий, автомобильный транспорт, коммунальные и бытовые отходы и минеральные, главным образом фосфорные, удобрения. Попадая на земную поверхность, свинец оказывает негативное воздействие на экосистемы. При высокой концентрации в почве свинец угнетает рост и развитие растений и приводит к потере продуктивности сельскохозяйственных культур. Попадание этого тяжелого металла в организм человека по трофическим цепям сопровождается расстройством нервной системы, повышенное его поступление вызывает отравление. Почвы являются естественным барьером на пути миграции свинца в растения и грунтовые воды и обладают высокой способностью закреплять этот элемент, уменьшая, тем самым, его подвижность и биодоступность [1]. Последние десятилетия в качестве одной из ремедиационных стратегий рассматривается возможность использования микробно-раститель-ных ассоциаций [2]. В настоящее время наблюдается
возрастающий интерес к отбору и изучению микроорганизмов, в частности ростстимулирующих ризос-ферных бактерий, способных существенно влиять на устойчивость культурных растений к тяжелым металлам [2, 3].
Методика исследований. Растения ячменя сорта Московский выращивали на серой лесной почве юга Московской области в вегетационных сосудах при искусственном загрязнении азотнокислым свинцом в дозе 200 мг Pb/кг почвы на фоне внесения NPK-удобрений из расчета по 80-100 мг действующего вещества на 1 кг почвы. Все варианты как с загрязнением, так и без загрязнения свинцом выравнивали по количеству внесенного азота. Семена при посеве инокулировали стимулирующей рост различных культурных растений ризосферной бактерией Pseudomonas fluorescens штамм 21 [4]. Вегетативную массу (листья + стебли), солому и зерно высушивали и анализировали на содержание Pb после мокрого озоления растительного материала в смеси концентрированных кислот HNO3 и HClO4
* Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 12-04-01205-а.
