CC BY
52
УДК 581.526.45
Вестник СПбГУ. Сер. 7,2007, вып. 1
В. Л. Богданов, И. В. Шмелева, Р. В. Николаев
ВЛИЯНИЕ УРОВНЯ ПЛОДОРОДИЯ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ почв
НА БИОМЕТРИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЛУГОВЫХ ФИТОЦЕНОЗОВ
Одним из основных факторов, влияющих на рост и развитие растений, является уровень обеспеченности их питательными веществами. Академик Д. Н. Прянишников утверждал, что растение точнее, чем любой почвенный анализ, укажет степень обеспеченности его почвенным питанием [1].
К важным показателям, характеризующим уровень обеспеченности и сбалансированности питательных веществ в почве, следует отнести в первую очередь морфобиометрические характеристики растений (высоту, общую биомассу, структуру урожая и др.), а также их химический состав. От высоты злаковых трав в значительной степени зависит накопление биомассы, а на величину этих двух показателей прежде всего влияет плодородие почвы.
В предлагаемой работе приведены результаты исследований, направленных на изучение эффективности различных режимов питания луговых фитоценозов, произрастающих на дерново-подзолистых почвах (на примере Ленинградской обл.), и получена оценка влияния минеральных удобрений и микроэлементов на их линейный рост и продуктивность.
На культурных лугах наиболее распространены злаковые и злаково-бобовые сообщества с тем или иным участием разнотравья. Растения, входящие в их состав, существенно различаются по своим требованиям к условиям минерального питания. Так, бобовые, как известно, питаются за счет азота клубеньковых бактерий (биологический азот), и урожай их мало зависит от содержания в почве азота. Биопродуктивность таких видов трав как злаки, осоки, разнотравье в значительной степени определяется обеспеченностью растений минеральным азотом.
Для изучения влияния уровня плодородия дерново-подзолистых почв на ботанический состав, линейный рост, продуктивность луговых фитоценозов и химический состав растений на территории Выборгского района Ленинградской обл. в 2003 г был заложен опытный участок с посевом многолетних трав и внесением различного вида удобрений. Из многолетних трав высевались овсяница красная, мятлик луговой, райграс пастбищный, клевер белый.
Почвенный покров опытного участка представлен дерново-подзолистыми почвами, песчаными по механическому составу. Результаты агрохимического анализа показывают, что почвы в 30-сантиметровом слое имеют слабокислую реакцию (рН(КС1) 6,3-6,7), содержат незначительное количество гумуса (1,7-2,0%), низкое калия (1,3-4,1 мг/100 г почвы) и среднее фосфора (25,4 мг/100 г почвы), они бедны микроэлементами - магнием, марганцем, бором, кобальтом.
Исследования, проводившиеся на данном участке в 2004-2005 гг., были направлены на изучение эффективности применения комплексных удобрений «Азофоска», «Кемира-2», «ОМУ», «AVA», которые содержат необходимые для роста и развития растений элементы и способствуют не только повышению продуктивности травостоя, но и пополнению запасов питательных веществ в почве.
Площадь опытных делянок составляла 3 м2. Повторность опыта четырехкратная.
Удобрение «Азофоска» содержит три основных элемента питания растений: азот (N) -16%, фосфор (Р205) - 16%, калий (К20) - 16%; минеральное удобрение «Кемира-2» - азот
© В. Л. Богданов, И. В. Шмелева, Р. В. Николаев, 2007
(N) - 12%, фосфор (P205) - 8%, калий (K20) - 14%, кальций (СаО) - 2,5%, магний (MgO) -1%, серу - 3,3%, бор - 0,03%. Универсальное органоминеральное удобрение «ОМУ» обладает пролонгированным действием, обеспечивает сбалансированное питание растений, содержит макро- и микроэлементы, гуминовые соединения. В его состав входят следующие питательные вещества: азот (N) - 10%, фосфор (Р205) - 7%, калий (К20) - 7%, магний (MgO) - 1,5%, массовая доля гуминовых соединений - 2,5%, Mn, Zn, В, Си, Mo, Fe. Комплексное минеральное удобрение «AVA» обладает длительным действием (в среднем 3 года). В отличие от вышеуказанных удобрений в его составе отсутствует азот. Из питательных элементов в нем содержатся фосфор (Р205) - 46-55%, калий (К20) - 20-25%, кальций (СаО) - 10-14%, магний (MgO) - 5-8%, SiO - 0,3%, Со - 0,03%, Mo - 0,03%, Mn - 0,1%, S -0,1%, Se- 0,001%.
Нормы применения азотсодержащих удобрений под многолетние травы в вариантах рассчитаны исходя из внесения в почву азота в норме N]20 действующего вещества (д.в.).
Все используемые удобрения вносились в почву опытного участка в начале периода вегетации 2004 г. Учитывая, что ОМУ и AVA являются удобрениями длительного действия, в 2005 г. вносились только Азофоска и Кемира-2.
Изучение агрохимических показателей почвы в полевом эксперименте показало, что внесение этих удобрений не оказало влияния на реакцию почвенного раствора. С внесением Азофоски из расчета Ni20Pi2oKi20 значительно повысилось содержание в почве фосфора и калия. Если в почве на контроле находилось 26,7-54,0 мг фосфора на 100 г почвы, то в почве на варианте с внесением этого удобрения его количество возросло до 40,0-64,0 мг/100 г почвы; содержание калия - с 1,3-4,1 до 1,3-5,9 мг/100 г почвы. Применение Кемиры-2 на лугу способствовало повышению концентрации фосфора в среднем на 7,4 мг/100 г почвы, калия - на 1,2 мг/100 г почвы. Внесение ОМУ и AVA вследствие медленного перехода питательных веществ из них в почвенный раствор не оказало существенного влияния на содержание в почве этих элементов. Таким образом, наилучшая обеспеченность растений питательными веществами наблюдалась на участках с применением Азофоски и Кемиры-2.
Изучение ботанического состава лугового фитоценоза на экспериментальных участках показало,* что при внесении Азофоски, ОМУ и Кемиры-2 доля злаковых трав - овсяницы красной, райграса пастбищного, мятлика лугового - составляла около 90%. На варианте с внесением AVA, не содержащего азота, количество злаков в фитоценозе было минимальным - 50%, здесь же отмечалось самое высокое среди других вариантов содержание в травостое бобовых - 48%, представленных клевером белым. На контрольном участке также присутствовало большое количество бобовых (23%), злаковая составляющая фитоценоза -71%. Это вызвано, видимо, недостаточной обеспеченностью злаковых трав азотным питанием на таких участках. В отличие от злаковых видов бобовые, питающиеся биологическим азотом, успешно могут произрастать на почвах, бедных минеральным азотом.
Доля разнотравья (сорного) на всех участках с применением удобрений была невелика -2-3%. Наибольшее содержание разнотравья в фитоценозе наблюдалось на контрольном участке - 6%.
В 2005 г. на опытном участке проводились исследования по влиянию комплексных удобрений на линейный рост, продуктивность луговых фитоценозов и химический состав растений.
Отрастание луговых трав в 2005 г. началось в первых числах мая. В этот период среднесуточные температуры воздуха превысили 5 °С. В течение мая наблюдался неустойчивый температурный режим. Резкие изменения погодных условий негативно сказывались на характере роста растений, который менялся в соответствии с колебаниями температурного режима: практически приостанавливался в периоды похолодания (среднесуточные температуры 7-8 °С) и активизировался, особенно на участках с применением удобрений, при по-
вышении температуры до 14-20 °С. С 5 июня установился режим погоды, благоприятный для роста и развития луговых трав: среднесуточные температуры до конца месяца составляли 14-18 °С без резких колебаний в течение суток, обеспеченность влагой растений в первой половине месяца была достаточной, и характер линейного роста многолетних трав в этот период был устойчивым.
Исследования по изучению воздействия различных режимов питания на линейный рост лугового фитоценоза производились в период от начала отрастания до момента первого укоса 3 июля.
Как было показано в работах [2, 3], при благоприятных условиях жизнедеятельности линейный рост лугового фитоценоза в течение всего вегетационного периода может быть описан логистической функцией с постоянными параметрами
у(1)= А{\ + Ьек'у\
где А - потенциальная конечная высота растений; к - относительная скорость роста фитоценоза; / - время. Параметры А и к определяются на основании экспериментальных данных по трем равноотстоящим по времени значениям, параметр Ь-А-1 тогда, когда функция описывает линейный рост растений в течение всего периода вегетации. При резких изменениях условий жизнедеятельности характер линейного роста меняется, и в этом случае необходимо рассматривать комбинированную функцию линейного роста с постоянными параметрами на интервалах времени, соответствующих периодам устойчивого роста. Согласование значений функции роста в граничных точках соответствующих интервалов времени производится за счет выбора постоянной Ъ.
Учитывая резкие изменения в характере линейного роста фитоценоза в 2005 г., для его описания при разных режимах питания растений были рассчитаны параметры логистической функции на интервалах времени, соответствующих устойчивым погодным условиям (табл. 1). На рисунке приведены графики функции линейного роста фитоценоза у{() с параметрами А, к и Ь, рассчитанными на основании экспериментальных значений высоты растений [3].
Таблица 1. Параметры функции линейного роста фитоценоза и оценка их продуктивности
Период Варианты опыта
Азофоска Кемира-2 ОМУ АУА Контроль
Параметры функции линейного роста фитоценоза
А к А к А к А к А к
1-8 мая 13,235 0,465 11,057 0,541 13,235 0,465 12,130 0,495 9,741 0,222
9-15 мая 13,235 0,465 11,057 0,541 19,240 0,123 16,000 0,121 9,741 0,222
16-22 мая 20,238 0,306 25,000 0,069 19,240 0,123 16,000 0,121 9,741 0,222
23 мая-5 июня 50,825 0,143 41,159 0,254 55,755 0,152 30,302 0,161 . 29,455 0,182
5-19 июня 78,180 0,217 85,748 0,131 77,057 0,181 74,682 0,160 68,364 0,128
19 июня-3 июля 78,180 0,217 85,748 0,131 88,190 0,088 74,232 0,061 75,881 0,076
Продуктивность
Фактическая, г/м2 1728 1750 1554 978 900
Расчетная, г/ м2 1672,328 1598,332 1574,696 - -
Оценка прибавки урожая*, % +3 +10 -1 - -
*Оценка прибавки урожая производится относительно расчетных значений биомассы, полученных на основании линейного роста фитоценоза.
у, см 100
40
80
60 г
20
0
1 мая 11 мая 21 мая 31 мая 10 июня 20 июня 30 июня 10 июля
(, сутки
Линейный рост злакового фитоценоза на участках с различными режимами
питания растений.
Экспериментальные данные на вариантах опыта с применением: ▲ - Азофоски; ж - Кемиры-2;
х - ОМУ; • - AVA; я - контроль, экспериментальные данные;--соответствующие
расчетные кривые роста.
Анализ полученных результатов показывает, что в первые дни после отрастания характер линейного роста на всех вариантах опыта с применением удобрений был приблизительно одинаковым. В начале мая травы интенсивно пошли в рост. В середине мая на понижение ночных температур до 6 °С, а затем на постепенное потепление в большей степени отреагировали многолетние травы на вариантах с использованием удобрений «Азофоска» и «Кемира-2», в меньшей - травы, режим питания которых определялся внесением ОМУ и AVA. Рост трав на контроле оставался устойчивым, хотя интенсивность роста и высота растений здесь были значительно ниже, чем на других вариантах опыта.
Кратковременное понижение ночных температур до 7 °С 19 и 20 мая заметно отразилось на характере роста луговых трав на всех вариантах опыта, проявившемся в приостановке роста, а затем резком увеличении его скорости, причем наиболее интенсивный рост наблюдался на участке с применением Кемиры-2. В этот период злаковые травы находились в фазе выхода в трубку. К 5 июня травы на вариантах с внесением Азофоски, Кемиры-2, ОМУ достигли приблизительно одинаковой высоты (40-43 см), на варианте с применением AVA и на контроле растения существенно отставали в росте: их высота составляла 25.27 см.
С 5 июня установился благоприятный для луговых трав температурный режим, и растения активно развивались. На варианте с применением Азофоски к 26 июня линейный рост фитоценоза практически прекратился, растения начинали зацветать, однако массовое цветение наступило в начале июля. На других вариантах после замедления роста, в связи с периодом засушливой погоды во второй половине июня, линейный рост фитоценоза возобновился и продолжался до момента укоса. Конечная высота растений оказалась наибольшей при применении Кемиры-2 и ОМУ, что вызвано, как показали наши исследования, влиянием внесенных в почву микроэлементов, в первую очередь магния, который изначально содержался в корнеобитаемом слое в недостаточном количестве.
Характеристики линейного роста фитоценоза на участках с применением удобрения «AVA» и на контрольном в среднем похожи. Заметная разница в высоте растений на них появилась в начале периода вегетации, когда растения, получившие дополнительное питание в виде удобрения, активно реагировали на кратковременные повышения температуры, однако столь же остро они отзывались и на периодическое похолодание. К началу фазы выхода в трубку высота растений на участках с внесением AVA и на контрольном оказалась практически одинаковой. В дальнейшем, с установлением благоприятных погодных условий, рост травостоя на участке с применением этого удобрения заметно активизировался, и высота растений была на 10 см выше, чем на контроле, но к моменту цветения разница оказалась не столь значительной - 5 см. Тот факт, что конечная высота растений на варианте с внесением удобрения «AVA», в котором содержатся необходимые растениям микроэлементы, но отсутствует один из основных элементов питания - азот, оказалась на 5-10 см ниже, чем на других вариантах с применением иных удобрений, объясняется дефицитом азотного питания, что косвенно подтверждается присутствием на этом варианте в значительном количестве бобовых - в основном клевера белого.
Недостаток питательных веществ в почве на контрольном участке (без внесения удобрений) проявился в более медленном развитии фитоценоза, меньшей высоте растений по сравнению с другими вариантами опыта и в присутствии в ботаническом составе фитоценоза значительного количества бобовых. Однако следует отметить, что характер линейного роста растений здесь был наиболее стабильным, особенно в период «начало вегетации -фаза выхода в трубку». Отсутствие стимулов к активному росту (недостаточность питания) не позволяло фитоценозу реагировать на кратковременные повышения температуры, но и следующее за этим похолодание не оказывало на него заметного влияния.
В отличие от других вариантов, линейный рост фитоценоза на контроле может быть описан с достаточной степенью точности логистической функцией с постоянными параметрами = 73,593, к — 0,112 в течение всего периода наблюдений, причем заметные (около 1 см) отклонения экспериментальных значений от расчетных относятся только к 5 и 26 июня, когда характер линейного роста фитоценоза на всех вариантах опыта претерпевал изменения.
Внесение комплексных удобрений, содержащих необходимые растениям питательные вещества, способствовало увеличению продуктивности многолетних трав по сравнению с контролем на всех вариантах. Наибольшая прибавка урожая биомассы была получена при применении удобрений, содержащих азот, - Азофоски и Кемиры-2. В варианте с ОМУ (вносилось только в 2004 г.) продуктивность оказалась несколько ниже, что может свидетельствовать о дефиците азотного питания растений на следующий год после внесения этого удобрения. Продуктивность фитоценоза на участке с применением AVA, не содержащего азота, незначительно отличалась от продуктивности растений на контрольном участке в связи с недостатком этого - одного из основных - элементов питания.
Как показали проведенные исследования, при благоприятных условиях жизнедеятельности и сбалансированном питании луговые злаковые растения развиваются гармонично: прослеживается явная функциональная зависимость между линейным ростом фитоценоза и накоплением им биомассы. В этом случае в качестве оценки накопления растениями зеленой массы может быть успешно использовано значение определенного интеграла от функции линейного роста фитоценоза на всем интервале наблюдения [3]. Такой подход позволяет также оценить прибавку урожая, полученную за счет дополнительного побегообразования и кущения в связи с усиленным питанием растений. Для преимущественно злакового фитоценоза (около 90%) при проективном покрытии 80% такая оценка дает практически точный результат, по крайней мере, на момент цветения злаков. В других случаях для учета этих параметров вводятся соответствующие поправочные коэффициенты П^ и П
При неблагоприятных условиях жизнедеятельности, приводящих к резким изменениям в характере линейного роста фитоценоза, в качестве оценки продуктивности фитоценоза может быть использовано значение суммы определенных интегралов на интервалах времени, соответствующих периодам стабильных погодных условий, от комбинированной функции линейного роста, учитывающей эти изменения. В том случае, когда неблагоприятные условия вызывают потерю биомассы в результате низких температур, засухи в период колошения и цветения и др., вводится соответствующий поправочный коэффициент П , определяемый на основании сопоставления полученных результатов с данными тех лет, когда погодные условия были аналогичными. При наличии базы данных о линейном росте и продуктивности луговых фитоценозов в годы с различными погодными условиями такой подход дает вполне удовлетворительные результаты [3].
В благоприятные для луговых растений годы период от начала отрастания до наступления фазы цветения составляет в среднем 53-55 суток. В 2005 г. фаза цветения злаковых луговых трав наступила в первых числах июля, что на 1-2 недели позже обычного. Периодическое понижение температур в мае, вызывавшее замедление и даже приостановку роста фитоценоза, засушливый период в фазу колошения негативно сказались на накоплении зеленой массы. В этом случае при оценке продуктивности по принятой методике необходимо ввести поправочный коэффициент, связанный с неблагоприятными погодными условиями. Согласно предложенному в работе [3] методу аналогий, примем, что коэффициент Пщ равен 0,637 в соответствии с показателями 1978 г. Общий поправочный коэффициент
включает в виде произведения коэффициенты П ^, а также П^ и П#2, учитывающие
соответственно проективное покрытие участков и содержание злаков (в процентах) в фитоценозе. Для первых трех вариантов опыта данные показатели были близки к оптимальным с точки зрения применения методики (80 и 90% соответственно), и их значения можно принять равными единице.
На вариантах с применением удобрения «AVA» и на контрольном участке такие показатели фитоценоза как ботанический состав и проективное покрытие не соответствовали требованиям методики оценки продуктивности фитоценоза на основании линейного роста. На обоих вариантах в значительном количестве присутствовали бобовые, что требует раздельного учета биомассы бобовых и злаковых, однако такие исследования не проводились.
Оценка продуктивности фитоценоза на основании функции его линейного роста на вариантах с применением удобрений «Азофоска» и «ОМУ» дала практически точные результаты (см. табл. 1). Отклонение расчетных значений зеленой массы от фактической продуктивности на 1-3% можно отнести за счет введения поправочного коэффициента П#3, который лишь приблизительно учитывает потери зеленой массы в результате неблагоприятных условий. На варианте опыта с внесением Кемиры-2 фактическая продуктивность на 10% превышает расчетную, определяемую в соответствии с линейным ростом растений, и этот факт позволяет ориентировочно оценить прибавку урожая за счет дополнительного побегообразования и кущения растений, обусловленных внесением в почву комплекса питательных веществ.
Таким образом, фитоценозы, получившие подкормку в виде удобрений «Азофоска» и «Кемира-2», образовали наибольшее количество зеленой массы, причем в случае с применением второго заметная прибавка урожая была получена за счет дополнительного побегообразования. На варианте с применением ОМУ растения развивались гармонично, продуктивность фитоценоза функционально зависела от его линейного роста и оценка продуктивности на основании линейного роста фитоценоза оказалась практически точной (см. табл. 1). На варианте опыта с внесением (в 2004 г.) AVA продуктивность фитоценоза в
2005 г. незначительно превысила продуктивность травостоя на контроле, причем и в том, и в другом случае обилие бобовых подтверждало недостаточность азотного питания злаковых растений. Значительно более медленное развитие и меньшая продуктивность по сравнению с остальными вариантами опыта наблюдались на контроле.
Качество зеленой массы зависит от многих факторов, в частности от применяемых удобрений. Одним из основных показателей, характеризующих кормовую ценность трав, является содержание в зеленой массе сырого протеина, клетчатки, минеральных веществ. Сравнительный анализ химического состава и питательности луговых трав при внесении различных удобрений показал (табл. 2), что по большинству показателей наилучшими кормовыми качествами обладали травы на контрольном участке и на варианте с применением медленно действующего ОМУ, внесенного в 2004 г.
Таблица 2. Химический состав и питательность кормов хозяйства АОЗТ «Нива» (Ленинградская обл., Выборгский район)
Варианты опыта Химический состав, % В 1 кг зеленого корма содержится, г
Общая влага Сырой протеин Сырая клетчатка Сырая зола Жир Перев. протеин Кальций Фосфор Калий Каротин
Контроль (без внесения удобрений) 76,00 2,43 8,71 2,10 0,54 14,52 1,94 0,86 6,20 7,80
Удобрение:
Азофоска 84,00 1,64 5,32 1,23 0,43 9,86 1,07 0,52 3,24 5,60
ОМУ 68,00 3,13 10,28 1,99 0,74 18,30 1,85 0,92 5,33 9,60
АУА 74,00 2,54 8,84 1,82 0,51 14,87 2,08 0,75 3,93 5,20
Кемира-2 76,00 2,29 8,05 1,51 0,52 • 13,19 1,08 0,62 4,37 16,20
Зеленые корма 75,00 2,41 8,24 1,73 0,55 14,15 1,60 0,73 4,41 8,88
Самое низкое из всех вариантов опыта содержание в растениях сырого протеина (так же как и кальция, фосфора, калия) оказалось на варианте с применением Азофоски. В варианте с внесением Кемиры-2 в луговых травах было обнаружено наибольшее, по сравнению с другими вариантами опыта, количество каротина (в 2 раза больше, чем на контроле), однако по другим показателям кормовые достоинства зеленой массы на этом варианте уступали контрольному. Такая ситуация объясняется тем, что внесенные в почву питательные вещества, содержащиеся в Азофоске и Кемире-2 в доступной для растений форме, прежде всего расходуются ими на образование биомассы и в меньшей степени накапливаются в вегетативной массе. При недостаточном питании (варианты с внесением ОМУ и на контроле) растения в первую очередь накапливали протеин, жиры, углеводы, минеральные вещества, создавая запасы для дальнейшего роста и развития.
Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1) дерново-подзолистые почвы на опытном участке характеризовались низким естественным плодородием и, в частности, невысоким содержанием азота;
2) внесение комплексных удобрений не оказало существенного влияния на реакции почвенного раствора;
3) наилучшая обеспеченность почвы питательными веществами наблюдалась на вариантах с применением удобрений «Азофоска» и «Кемира-2»;
4) ботанический состав существенно зависел от обеспеченности почвы азотом. На вариантах с применением азотсодержащих удобрений (Азофоска, Кемира-2, ОМУ) в луговых
фитоценозах доминировали злаки. При дефиците азотного питания (вариант опыта с применением ABA, контроль) в луговом фитоценозе в значительной степени присутствовали представители группы бобовых - в основном клевера белого;
5) наибольшая продуктивность луговых трав оказалась при внесении удобрений «Азофоска» и «Кемира-2». Оценка продуктивности лугового фитоценоза на основании его линейного роста показала, что на варианте с внесением Кемиры-2 около 10% зеленой массы было образовано фитоценозом за счет дополнительного формирования вегетативных побегов. Воздействие Азофоски и ОМУ обеспечило гармоничное развитие растений, при котором между линейным ростом и величиной зеленой массы существует функциональная зависимость, и оценка продуктивности луговых трав на основании их линейного роста дала практически точные результаты. Отсутствие азота в AVA привело к тому, что продуктивность луговых трав на этом участке лишь на 9% оказалась выше, чем на контроле;
6) по соотношению высоты, продуктивности и химического состава растений наилучшие результаты получены на варианте с применением ОМУ, содержащего макро- и микроэлементы, гуминовые соединения и обеспечивающего сбалансированное питание растений.
Summary
Bogdanov V, L, Shmeleva I. V., Nicolaev Я V. Influence of soil fertilizer conditions on biométrie and chemical indices of plants. -
The relation of meadow plant botanic composition, linear growth and grassland crop to various complex fertilizers is discussed.
Литература
1. Прянишников Д. H. Агрохимия. Избр. соч.: В 3 т. М., 1965. Т. 1.2. Богданов В. JJ., Шмелева И. В. Влияние экологических факторов на рост и развитие луговых фитоценозов. СПб., 1999. 3. Богданов В. Л., Шмелева И. В. Оценка продуктивности луговых фитоценозов на основании функции линейного роста // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 7: Геология, география. 2001. Вып. 4.
Статья принята к печати 28 сентября 2006 г.
