CC BY
91
doi: 10.24411/0044-3913-2021-10206 УДК 633.282
Возделывание мискантуса в континентальных регионах России*
B. Н. ЯКИМЕНКО1, доктор биологических наук, зав. лабораторией (e-mail: yakimenko@issa-siberia.ru )
C. Ю. КАПУСТЯНЧИК2, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник (е-mail: kapustyanchik@bionet.nsc.ru)
Г. Ю. ГАЛИЦЫН2, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник 1Институт почвоведения и агрохимии Сибирского отделения РАН, просп. Академика Лаврентьева, 8/2, Новосибирск, 630090, Российская Федерация 2Сибирский научно-исследовательский институт растениеводства и селекции -филиал «Федерального исследовательского центра Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук», ул. С-100, зд. 21, а/я 375, пос. Краснообск, Новосибирский р-н, Новосибирская обл., 630501, Российская Федерация
Исследования проводили с целью оценки возможности длительного выращивания мискантуса и его фитомелиоративного воздействия на почву агроценоза. Посадки мискантуса закладывали в 2005, 2009 и 2015 гг. в Новосибирском Приобье. Почвы - серая лесная и дерново-подзолистая. Надземную биомассу растений отбирали в период их старения, определяли содержание общего азота, фосфора, калия, магния (по Гинзбург); учитывали урожайность и качество сырья. Пробы почвы отбирали послойно (каждые 20 см) в фазе старения растений, определяли содержание гумуса (по Тюрину), нитратного азота (на иономере), легкоподвижного фосфора (по Францесону), обменного калия и магния (в 1 М CH3COONH4). Мискантус может эффективно произрастать на почвах с низким уровнем плодородия. В условиях региона плантации можно бессменно возделывать без снижения урожайности в течение не менее 14 лет. В 2018 г. на делянках 2005 г. посадки она составляла 12,4 т/га, 2009 г. посадки - 14,3 т/га, 2015 г. - 10,8 т/га. Ежегодный вынос с урожаем азота из почвы былравен 17...20кг/га, фосфора - 11...17, калия - 35.40, магния - 2.3 кг/га, что свидетельствует о невысоких размерах их отчуждения. Содержание целлюлозы в биомассе мискантуса составляло 53 %. За
11 лет бессменного выращивания культуры содержание гумуса в почве возросло на 0,3.0,4 % (как по сравнению с исходной старопахотной почвой, так и почвой пара). Отмечена тенденция накопления подвижных форм зольных элементов в верхнем почвенном слое под мискантусом: содержание легкообменного фосфора составило 12,6 мг/кг, обменного магния -3,6 мг/100 г (в почве пара 10,6 мг/кг и 3,1 мг/100 г соответственно).
Ключевые слова: мискантус (М1эсап-Миэ эрр.), урожайность, качество, вынос элементов питания, почва, плодородие.
Для цитирования: Якименко В. Н., Капу-стянчик С. Ю., Галицын Г. Ю. Возделывание мискантуса в континентальных регионах России //Земледелие. 2021. № 2. С. 27-31. бог.10.24411/0044-3913-2021-10206.
Современная парадигма развития мировой экономики предусматривает обязательный и всесторонний учет экологических аспектов. Загрязнение окружающей среды пластиковыми упаковочными материалами и изделиями из синтетических полимеров - серьезная мировая экологическая проблема современности. В этой связи особую актуальность приобретает разработка и усиленное производство биоразла-гаемых и биосовместимых упаковочных материалов, в том числе из возобновляемых источников сырья, что будет способствовать экологической стабилизации природной среды [1, 2].
Мискантус - растение семейства Злаковых, интенсивно возделывают в странах Западной Европы, США, Китае, Индии и др. для получения лиг-ноцеллюлозной биомассы и ценных производных продуктов [1, 2, 3]. Проведенные в ряде стран исследования показали, что важная особенность мискантуса - возможность бессменного выращивания его производственных плантаций на одном месте в течение более 20 лет без значительного снижения продуктивности, высокая интенсивность которой обусловлена специфической организацией фотосинтетической деятельности растения по С4-типу. Особое внимание заслуживает способность этой культуры произрастать на низко продуктивных землях, обеспечивая более высокую экономическую отдачу использования таких угодий [3].
Сегодня различные виды мискантуса активно культивируют преимущественно в странах с мягким климатом: среднегодовой температурой воздуха выше 5...10 оС и суммой осадков за год не менее 600 мм [4]. Однако ряд исследований [5, 6], выполненных в различных российских регионах, подтвердили перспективность возделывания мискантуса и на этих территориях: показана его высокая продуктивность (10.20 и более т сухой массы с 1 га), достоверное фитомелиоративное воздействие на почву агроценозов, выражающееся в стабилизации и улучшении их агрофизических и агрохимических свойств, предотвращение почвенных эрозионных процессов в местах посадки [7, 8].
Некоторые генотипы мискантуса обладают повышенной холодостойкостью и, соответственно, способностью в таких некомфортных условиях поддерживать высокую интенсивность фотосинтетических процессов благодаря термолабильности ключевых ферментов фотосинтеза; это выгодно отличает мискантус от большинства других С4-растений, у которых обычно активность ферментов при понижении температуры падает. Это обстоятельство делает его перспективным кандидатом для интродукции в континентальные регионы России [7, 8].
Широкое распространение мискан-туса в России вообще, и в Сибири, в частности, сдерживается недостаточной проработанностью элементов технологии возделывания этой культуры в региональных почвенно-климатических условиях. Имеющиеся литературные данные получены, главным образом, в регионах (странах), сильно отличающихся от Сибири по климату и гидротермическому режиму почв; экстраполяция результатов таких исследований на почвенно-климатические условия сибирского региона не всегда оправдана.
Вопросы экологической адаптивности мискантуса к сибирским почвенно-климатическим условиям, его влияния на почву и другие компоненты ландшафта остаются во многом нерешенными. В этой связи проведение в Сибири исследований средообразующих последствий длительного выращивания мискантуса, мониторинг почвенно-экологического состояния и продуктивности агро-ценозов этой культуры в процессе их формирования и функционирования имеют большое практическое значение и актуальность.
Цель исследования - в стационарных полевых опытах оценить возможность эффективного выращивания
*Работа выполнена в рамках бюджетного проекта ИПА СО РАН № 0313-2019-0003 и бюджетного проекта СибНИИРС -СО РАН № 0324-2019-0039-С-01.
филиал ИЦиГ
СО (D 3 ь
(D д
(D Ь 5
(D
М 2 О м
мискантуса (Miscanthus врр.) и его фитомелиоративное воздействие на почву агроценоза в земледельческой зоне Западной Сибири.
Исследования с разновозрастными посадками мискантуса проводили в 2005-2019 гг. на полях экспериментального хозяйства, расположенного в Новосибирском районе, Новосибирской области РФ. В широтно-зональном плане опытные поля находятся на границе северной лесостепи и лиственно-лесной зоны. Исследуемая территория характеризуется средне континентальным, умеренно холодным, умеренно засушливым климатом. Радиационный баланс составляет около 30 ккал/см2 в год, сумма осадков - 400...500 мм, испаряемость - 500.600 мм. Зима холодная (средняя температура воздуха января -15.-20 °С), достаточно и многоснежная (высота снежного покрова 45.100 см). Лето умеренно теплое (средняя температура воздуха июля - 17,2.19,9 °С); сумма температур выше 10 °С составляет 1600.2000 °С. Продолжительность вегетационного периода мискантуса сахароцветно-го равна 128.136 дней; сумма осадков за этот период составляет 200. 280 мм. Почвы зоны относятся к умеренно промерзающему подтипу [9].
Почвенный покров территории, на которой в 70-х годах прошлого столетия было организовано экспериментальное хозяйство, представлен серыми лесными и дерново-подзолистыми почвами [10], которые в целинном, естественном состоянии имеют следующие свойства (верхний гумусовый горизонт): рН водной вытяжки - 5,6.6,1 (на потенциометре), содержание физической глины - 16.18 % (супесчаная почва по Н. А. Качинскому), гумуса - 2,3.2,6 % (по Тюрину), валового азота - 0,14. 0,20 % , фосфора - 0,13.0,15 % , калия - 1,5.1,7 % (после мокрого озоления по Гинзбург с последующим определением N - по Къельдалю, Р -колориметрически, К - на пламенном фотометре).
В опытах выращивали Miscanthus sacchariflorus сорта Сорановский, выведенный Институтом цитологии и генетики СО РАН и внесенный в 2012 г в Государственный реестр селекционных достижений (№ авторского свидетельства 58540). ¿^ Опыты представляют собой разносу возрастные плантации (посадки 2005, сд 2009 и 2015 гг.). В опытах изучали ^ урожайность и качество продукции в о» зависимости от возраста посадки. Из-| менение почвенных показателей при многолетнем выращивании культуры ® рассматривали в полевом опыте, за-
5 ложенном в 2009 г. на типичном участ-ш
Д ке старопахотной серой лесной почвы.
Этот опыт (как и другие) представляет собой поле площадью около 1 га, на котором участки с мискантусом (полосы 50 х 20 м) чередуются с такими же участками бессменного пара, служившего в качестве контроля; повтор-ность 4-х кратная. В связи с необходимостью выявления средообразующих возможностей мискантуса, удобрения в опыте не применяли.
В условиях сибирского региона ми-скантус размножается исключительно вегетативным способом. В наших опытах корневища высаживали в мае (посадочная норма 1,4 т/га) в борозды глубиной 20.25 см, расстояние между бороздами 70 см; далее борозды засыпали, поверхность выравнивали и прикатывали. Мискантус убирали сплошным скашиванием обычно в начале октября, при появлении заморозков и высыхании надземной биомассы; урожай учитывали выборочно с помощью рамки 1 м2 в 4-кратной повторности. Надземную биомассу оценивали по абсолютно-сухой массе, которую определяли после сушки образцов в сушильном шкафу при температуре 105 °С до достижения постоянной массы. Влажность биомассы мискантуса на момент уборки составляла 20,3.23,0 %. Подземную биомассу учитывали в слое 0. 25 см методом монолитов ежегодно в 5-кратной повторности в момент наступления фазы отмирания надземной биомассы. Мортмассу и корневища выделяли путем декантации почвы водой на сите с диаметром ячеек 0,25 мм. Биомассу высушивали до абсолютно сухого состояния.
Почвенные образцы отбирали после уборки урожая в слое 0.20, 20.40, 40.60, 60.80, 80.100 см и анализировали общепринятыми методами: гумус - по Тюрину, рН - на потенциометре, нитратный азот - ионометрически, легкоподвижный фосфор - по Фран-цесону, обменный калий и магний -(в 1 М растворе CH3COONH4). В надземной биомассе растений определяли содержание основных макроэлементов (после мокрого озоления по методу Гинзбург: общий азот - по методу Кьельдаля; фосфор - по Труогу, калий -на пламенном фотометре). Аналитическая повторность 3-кратная.
Гидротермические параметры территории исследования, начиная
с 2005 г. (закладка первой плантации мискантуса), имели следующие типы увлажнения за период функционирования посадок: 2005, 2006, 2007, 2009, 2013, 2014, 2015, 2017 и 2018 гг. были умеренно увлажненными; 2008, 2010, 2011, 2016 и 2019 гг характеризовались как умеренно дефицитные; 2012 г отнесен к остродефицитному.
Полученные в опытах экспериментальные данные подвергнуты стандартной статистической обработке в программе Excel. Результаты представлены в виде средних с доверительными интервалами (ДИ) при уровне значимости p<0,05.
Развитие плантаций мискантуса после их закладки рассмотрим на примере посадки 2015 г., отметив, что динамика формирования плантаций, высаженных в различные годы (2005, 2009 и 2015 гг.), была аналогичной. После высадки корневищ мискантуса при закладке опыта, в первый год формирования плантации происходит, прежде всего, интенсивное ветвление корневищ и их рост [11]. Продуктивность подземной биомассы 2,6±0,4 т/га была значительно выше надземной 0,8±0,2 т/га (табл. 1). Усиленный рост подземных побегов начинался в начале фазы кущения растений; к окончанию фазы цветения корневища уже образовывали многочисленные боковые побеги и новые метамеры. Интенсивное нарастание надземной биомассы начиналось с середины июня, к концу первого года вегетации прирост составлял 0,8.1,0 т/га абсолютно сухого вещества (а.с.в).
На второй-третий годы развития культуры происходило активное нарастание как надземной, так и подземной биомассы (см. табл. 1); урожайность надземной массы культуры составила 8,1.10,7 т/га, подземной - 4,0.8,9 т/га. К третьему году вегетации продуктивность культуры составляла 10,7±2,2 т/га, и в последующие годы сохранялась на этом уровне. Наибольший прирост корневищ отмечен в 2018 г., но значительно не отличался от 2017 и 2019 гг. Таким образом, можно сделать вывод, что формирование плантации происходит к третьему году вегетации.
В связи с интенсивным ростом корневищ мискантуса, определенную
1. Продуктивность мискантуса 2015 г. посадки*
Год определения Биомасса, т абсолютно сухого вещества/га
надземная подземная
2015 0,8±0,2 2,6±0,4
2016 8,1±2,1 4,0±0,9
2017 10,7±2,2 8,9±1,4
2018 10,8±1,3 9,7±1,3
2019 10,2±1,2 9,1±2,1
* данные представлены в виде среднеарифметических значений и доверительных интервалов при р<0,05.
* данные представлены в виде среднеарифметических значений и доверительных интервалов при р < 0,05.
2. Характеристика надземной фитомассы разновозрастных посадок мискантуса, 2018 г. *
Год по- Длина генератив- Густота стебле- Продуктив- Влаж- Золь-
садки ного побега, см стоя, шт./м2 ность, т/га ность, % ность, %
2005 194,0±13,3 223,0±7,4 12,4±1,6 20,7±1,8 7,20
2009 200,0±2,4 302,0±8,4 14,3±1,4 19,6±2,2 6,95
2015 211,0±17,7 202,0±8,5 10,8±1,3 23,3±2,9 5,39
(табл. 3), у мискантуса этот показатель значительно ниже, чем у древесных пород [15]. Химический анализ надземной биомассы мискантуса подтвердил его ценность как источника энергии и сырья для переработки, прежде всего, в целлюлозно-бумажной промышленности, производстве биоразлагаемых упаковочных материалов, а также других отраслях [1, 3, 16]. Высокое содержание целлюлозы (53 %) при относительно низком уровне лигнина и жировосковой фракции характеризует мискантус как перспективную урожайную сырьевую культуру со значительным экономическим потенциалом возделывания и переработки.
3. Содержание органических соединений в надземной биомассе мискантуса 2015 г. посадки, % от абсолютно сухого вещества*
Год отбора образцов Целлюлоза Лигнин Пентозаны Жировосковая фракция
2016 52,6 ± 1 24,1 ± 0.5 23,1 ± 0.5 2,5 ± 0.1
2017 52,9 ± 1 24,5 ± 0.5 22,0 ± 0.5 2,1 ± 0.1
2018 50,4 ± 1 23,2 ± 0.5 22,1 ± 0.5 1,6 ± 0.1
2019 51,3 ± 1 23,9 ± 0.5 21,9 ± 0.5 2,0 ± 0.1
* данные представлены в виде среднеарифметических значений и доверительных интервалов при р < 0,05.
дискуссионность может вызвать вопрос об его инвазивности. Так, исследования, проведенные в Соединенных штатах в 1999 г и в Великобритании в 2009 г., выявили, что эту культуру можно считать агрессивным растением, оказывающим негативное воздействие на окружающую среду [12]. Однако большинство сортов мискан-туса, используемых для производства биомассы, - стерильные гибриды. На сегодня нет доказательств, что М1всап^ив инвазивен. К тому же он легко уничтожается сбором корневищ с помощью модифицированных картофелеуборочных комбайнов и использованием гербицидов сплошного действия. Изучаемый нами вид не дает семян в условиях Сибири, тем самым минимизируя риск инвазивно-го распространения. По мнению ряда авторов, мискантус не представляет угрозы для сельскохозяйственных угодий [13]. Отметим, что проводимые нами с 2005 г. исследования не выявили инвазивности мискантуса на опытных участках и соседних полях.
Высота растений разновозрастных посадок мискантуса в 2018 г. варьировала в пределах 176.231 см при средней величине 202 см. Причем максимальная в опыте высота растений отмечена на делянках 2015 г посадки и составляла 224 см. Густота стеблестоя варьировала в пределах 172.332 шт./м2 при среднем значении 242 шт./м2. Наибольшая густота стеблестоя в 2018 г. отмечена на делянках 2005 и 2009 гг. посадки - 223 и 302 шт./м2 соответственно (табл. 2), что отразилось на урожайности культуры. В наших опытах на юге Западной Сибири (на территории Новосибирской обл.) продуктивность разновозрастных посадок М. вассЬап^огив обычно варьировала в пределах 9,5.15,7 т/га, при средней величине 12 т/га. Наибольшая продуктивность мискантуса в 2018 г. отмечена на делянках 2005 и 2009 гг. посадки. Полученные результаты свидетельствует об отсутствии значительных различий урожайности культуры в зависимости от возраста плантации, по крайней мере, в течение 10.14 лет ее функционирования, что доказывает возможность длительного бессменного выращивания культуры. Отметим, что довольно стабильная урожайность мискантуса была зафиксирована в годы с различными погодными условиями вегетационного
периода (умеренно увлажненные и умеренно дефицитные); что свидетельствует о высокой адаптивности растения к факторам внешней среды. Следует сказать, что формируемая в наших опытах урожайность согласуется с данными из других регионов и стран; так, например, в Англии
урожайность трехлетних посадок М. вассЬап^огив составила 11,1 т/га, в Германии - 12,6 т/га [14].
Влажность растительного сырья при уборке культуры - важный показатель, поскольку биомассу убирают в тюки для длительного хранения и высокая влажность при уборке может сказаться на качестве заготавливаемого сырья. Влажность зависит от метеорологических условий в момент уборки культуры и, чем позже срок уборки (конец октября - начало ноября), тем ниже влажность. Так, в 2018 г. она варьировала от 19,6 до 23,3 % при уборке культуры 1 ноября (см. табл. 2). В отдельные годы, влажность биомассы составляла 11.13 %. Такие величины этого показателя оптимальные для рекомендации культуры к уборке.
Зольность, определяемая в растительном сырье мискантуса, характеризует качество получаемой целлюлозы: чем ниже этот показатель, тем лучше качество сырья. В наших исследованиях в 2018 г. зольность в растениях мискантуса составляла 5,4.7,2 %, причем наибольшей она была на более ранних посадках (2005 и 2009 гг.). В отдельные годы (2017, 2019 гг.) на делянках мискантуса 2015 г. посадки величина этого показателя снижалась до 2,4.4,1 %.
Следует отметить высокое содержание целлюлозы (50,4.52,9 %), которая является главным компонентом и формирует каркас растения. Содержание жировосковой фракции низкое и составляет 1,6.2,5 %. Жесткость клеточной структуры обеспечивает лигнин, на него приходится 23...25 %
Содержание элементов-биофилов (азот, фосфор, калий) в растениях, отобранных в 2019 г в фазе уборки, в среднем по опытам 2005, 2009 и 2015 годов посадки, составляло: азота -0,13 %, фосфора - 0,16, калия - 0,46, магния - 0,034 % от абсолютно сухого вещества. Учитывая, что средняя урожайность мискантуса в наших опытах составляла 12 т/га, ежегодный вынос элементов питания из почвенных запасов составлял: азота - 17.20 кг/га, фосфора - 11.17, калия - 35.40, магния - 2.3 кг/га. По сравнению с другими урожайными культурами [17], такие масштабы отчуждения мискантусом питательных элементов из почвы представляются невысокими. Невысокий, в целом, вынос мискантусом химических элементов из почвы связан с его способностью к эффективной их реутилизации. В конце вегетации из листьев и стеблей в корневища перемещается до 50 % и более поглощенных в течение вегетации элементов питания. Весной эти резервы мобилизуются для роста новых побегов, делая мискантус в определенной степени независимым от уровня почвенного плодородия [3, 4].
Исследуемые почвы в естествен- ы ном состоянии обладают невысо- е ким уровнем плодородия; при их л длительном сельскохозяйственном д использовании в период, предшеству- л ющий закладке опытов (до 2005 г.), е почвенное плодородие было ис- 2 тощено [11]. Ряд рассматриваемых в 2 статье агрохимических показателей в м этих старопахотных почвах находился 2 на стабильно низком уровне и был 1
4. Изменение эффективного плодородия почвы опыта за 11 лет выращивания мискантуса (делянки 2009 г. посадки, отбор почвенных образцов в 2019 г.)
Мискантус Пар
Слой почвы, гумус, % нитрат- легко-подвиж- обменный обменный гумус, % нитрат- легко-подвиж- обменный обменный
см ный азот, мг/кг ный фосфор, мг/кг калий, мг/100 г магний, мг/100 г ный азот, мг/кг ный фосфор, мг/кг калий, мг/100 г магний, мг/100 г
0.20 1,37 0,8 12,6 3,9 3,6 0,96 12,4 10,6 6,0 3,1
20.40 1,08 0,8 11,9 2,7 3,1 0,79 5,9 10,3 2,4 3,0
40.60 0,53 0,7 14,7 2,2 3,1 0,41 2,5 13,9 2,1 2,5
60.80 0,37 0,6 17,6 4,8 8,2 0,23 2,2 16,3 4,3 8,2
80.100 0,31 0,5 7,0 6,9 15,1 0,21 2,2 6,0 6,6 15,1
НСР05 0,15 0,14 1,3 0,42 0,76 0,11 1,5 1,4 0,74 0,58
практически одинаков в разные годы закладки плантаций. Так, например, содержание гумуса в исходной почве составляло 1,0.1,1 % и в 2005, и 2009 гг, и в последующие годы. Выращивание мискантуса в течение 11 лет способствовало значительному повышению содержания гумуса в почве агроценоза (табл. 4), как по сравнению с исходной старопахотной почвой, так и соседним парующимся участком; отметим, что количество гумуса в почве под мискантусом возросло не только в верхнем, но и в нижележащих почвенных слоях. Можно предположить, что легкий гранулометрический состав исследуемой почвы сдерживал процесс гумусонакопления; на тяжелых почвах он протекал бы намного интенсивнее.
Реакция почвенного раствора при длительном выращивании мискантуса не изменилась, по сравнению, как с исходной старопахотной почвой, так и с почвой сопутствующего пара; рН водной суспензии везде равнялась 5,75.
В сибирских условиях наиболее информативный показатель обеспеченности выращиваемых культур почвенным азотом - содержание нитратов. Низкие запасы органического вещества в почве наших опытов значительно лимитировали процессы минерализации и нитратообразова-ния; тем не менее, в верхнем почвенном слое пара накапливалось 12. 13 мг нитратного азота/кг (см. табл. 4). Увеличившиеся запасы почвенного органического вещества под посадкой мискантуса в течение вегетации обеспечивали, вероятно, более высокую эффективность процессов нитрификации. В то же время, интенсивное нарастание биомассы мискантуса обусловливало практически полное потребление растениями имеющихся запасов подвижного минерального азота по всему почвенному профилю. ¿^ В этой связи представляется целе-° сообразной оптимизация азотного сд режимаэтойпочвы.Однаковподоб-^ ных экстенсивных агроценозах (без о» внесения удобрений) дополнитель-| ное положительное влияние на фонд минерального азота будет оказывать ® гумусное состояние почв, перманент-5 но улучшающееся при выращивании $ мискантуса.
Адекватный показатель фосфорного состояния западносибирских почв - содержание легкоподвижного фосфора. Распределение этой формы фосфатов по профилю исследуемых почв характеризуется пиком в иллювиальном горизонте и дальнейшим резким снижением (см. табл. 4). Обращает на себя внимание факт заметного повышения содержания легкообменного фосфора в верхнем слое почвы под мискантусом (12,6 мг/кг), по сравнению с паром (10,6 мг/кг), и явная тенденция соответствующего его увеличения, по сравнению с парующей почвой, в нижележащих почвенных слоях. Причиной этого явления могла быть, как более интенсивная фиксация фосфора в труднодоступные формы в условиях парующейся почвы, так и определенная биогенная аккумуляция фосфора в верхних почвенных горизонтах под многолетней посадкой мискантуса, сопровождавшаяся, возможно, некоторым повышением степени мобильности имевшихся почвенных фракций фосфатов.
Самый распространенный индекс оценки эффективного плодородия почв в отношении калия - почвенное содержание его обменной формы [9]. Длительное выращивание мискантуса в наших опытах сопровождалось некоторым снижением содержания обменного калия в верхнем почвенном слое (3,9 мг/100 г) относительно почвы пара (6,0 мг/100 г) (см. табл. 4); ниже по профилю уровень калия практически не изменился и составил 6. 6,9 мг/100 г почвы. Это подтверждает результаты проведенных ранее длительных исследований [9], свидетельствующих, что значимые изменения содержания подвижных форм калия и при дефицитном, и при профицитном его балансе в агроценозах, проявляются, главным образом, в верхнем слое почв. Ежегодный вынос калия отчуждаемой биомассой мискантуса (до 40 кг/га) обеспечивался благодаря структурному калию почвенных минералов, не извлекающемуся стандартной вытяжкой.
Содержание обменного магния в почве за годы проведения опытов не изменилось, и было одинаковым - и под мискантусом, и при длительном
паровании (см. табл. 4): в верхнем слое почвы 3,1.3,6 мг/100 г, в нижнем слое почвы 15,1 мг/100 г под мискантусом и на пару. Это связано с невысоким его содержанием в урожае культуры и эффективной реутилизацией. По нашим данным снижение содержания подвижных форм магния в верхних горизонтах почвы по сравнению с нижними (3,1 и 15,1 мг/100 г соответственно) при ее сельскохозяйственном использовании обусловлено не столько потреблением выращиваемыми культурами (выносом урожаем), сколько процессами выщелачивания элемента из верхних почвенных слоев.
Таким образом, в многолетних полевых исследованиях показана эффективная возможность выращивания мискантуса в земледельческой зоне Западной Сибири. Региональные гидротермические условия позволяют ежегодно получать 10.15 т сухой массы мискантуса с 1 га; плантации культуры могут бессменно возделываться в течение не менее 14 лет без снижения урожайности. Урожайность мискантуса в 2018 г на делянках 2005 г. посадки составила 12,4 т/га, 2009 г посадки -14,3 т/га, 2015 г посадки - 10,8 т/га. Ежегодный вынос элементов питания из почвенных запасов урожаем мискантуса составлял: азота - 17.20 кг/га, фосфора - 11.17, калия - 35.40, магния - 2.3 кг/га. Отчуждение мискантусом питательных элементов из почвы является невысоким, что связано со способностью растения к эффективной реутилизации макроэлементов: в конце вегетации из листьев и стеблей в корневища перемещается до 50 % и более поглощенных в течение вегетации элементов питания. Подтверждена способность мискантуса эффективно произрастать на почвах с низким уровнем плодородия, оказывая на них положительное средообразующее воздействие. За 11 лет бессменного выращивания мискантуса на почве легкого гранулометрического состава (посадки 2009 г) содержание в ней гумуса возросло на 0,3.0,4 %, несмотря на интенсивное использование растениями почвенного мобильного азота, генерируемого соответствующими минерализационными процессами. Если в верхнем слое почвы
пара к осени накапливалось 12.13 мг/кг нитратного азота, то в почве под плантациями мискантуса происходило полное потребление растениями имеющихся запасов подвижного минерального азота - в верхнем 0...20 см его уровень составлял 0,8 мг/кг. Отмеченатенденция накопления подвижных форм зольных элементов в верхнем почвенном слое, связанная, как с биогенной аккумуляцией, так и с повышением степени мобильности их соединений. Выявлено повышение содержания легкообменного фосфора в верхнем слое почвы под мискантусом (12,6 мг/кг), по сравнению с паром (10,6 мг/кг). Происходит несущественное снижение содержания обменного калия в верхнем почвенном слое (3,9 мг/100 г) на участках с мискантусом относительно почвы пара (6,0 мг/100 г). Содержание обменного магния в почве за годы проведения опытов не изменилось, и было одинаковым - и под мискантусом, и при длительном паровании: в верхнем слое почвы 3,1.3,6 мг/100 г Получаемая продукция из сырья мискантуса содержит около 50,4.52,9 % качественной целлюлозы. Содержание жировосковой фракции низкое и составляет 1,6.2,5 %. Жесткость структуры обеспечивает лигнин, на него приходится 23.24,5 %. Химический анализ надземной биомассы мискантуса подтвердил его ценность как источника энергии и сырья для переработки. В целом,исследования показали очевидную перспективность выращивания мискантуса в континентальных регионах России, в том числе на низко продуктивных землях, препятствуя их прогрессирующей деградации, улучшая эколого-агрохимическое состояние агроцено-зов и обеспечивая агрономическую целесообразность производства.
Литература.
1. Zub H. W., Brancourt-Hulmel M. Agronomic and physiological performances of different species of Miscanthus, a major energy crop: a review // Agronomy for sustainable development. Springer Verlag. EDP Sciences. INRA. 2010. No. 30. 214 р.
2. The development and current status of perennial rhizomatous grasses as energy crops in the US and Europe / I. Lewandowski, J. M. O. Scurlock, E. Lindvall, et al. // Biomass and Bioenergy. 2003. Vol. 25. No. 4. P. 335-361.
3. Jones M.B., Finnan J., Hodkinson T.R. Morphological and physiological traits for higher biomass production in perennial rhizomatous grasses grown on marginal land // Global Change Biology Bioenergy. 2015. No. 7. P. 375-385.
4. Maughan M. Miscanthus x giganteus productivity: the effects of management in different environments // Global Change Biology Bioenergy. 2012. No. 4. P. 253-265.
5. Булаткин Г. А. Исследование эффективности энергетических культур на примере мискантуса китайского (Miscanthus sinensis Anderss.) // Экологический вестник России. 2018. № 10. С. 36-41.
6. Гущина В. А., Остробородова Н. И. Формирование биомассы мискантуса гигантского в лесостепи среднего Поволжья // Нива Поволжья. 2019. № 3 (52). С. 81-87.
7. Капустянчик С. Ю. Особенности развития и формирования биомассы мискан-туса в лесостепи Новосибирского Приобья // Достижения науки и техники АПК. 2017. № 31(4). С. 28-31.
8. Ресурсный потенциал некоторых видов рода Miscanthus Anderss. в условиях континентального климата лесостепи Западной Сибири / О. В. Дорогина, О. Ю. Васильева, Н. С. Нуждина и др. // Вавилов-ский журнал генетики и селекции. 2018. Т. 22. № 5. С. 553-559.
9. Якименко В. Н. Калий в агроценозах Западной Сибири. Новосибирск: СО РАН, 2003. 231 с.
10. Сысо А. И., Смоленцев Б. А., Якименко В. Н. Почвенный покров новосибирского Академгородка и его эколого-агрономическая оценка // Сибирский экологический журнал. 2010. Т. 17. № 3. С. 363-377.
11. Капустянчик С. Ю., Данилова А. А., Лихенко И. Е. Продуктивность мискантуса сорта «Сорановский» первого года вегетации и дыхательная активность почвы // Пермский аграрный вестник. 2016. № 4. С. 82-87.
12. Anzoua K. G., Yamada T., Henry R. J. Miscanthus. In: Kole C. (eds) Wild Crop Relatives: Genomic and Breeding Resources. Springer, Berlin, Heidelberg, 2011. P. 157164. doi: 10.1007/978-3-642-21102-7_9.
13. Improved feedstock option or invasive risk? Comparing establishment and productivity of fertile miscanthus giganteus to miscanthus sinensis / C. L. Bonin, E. Mutegi , H. Chang, et al. // Bioenergy Research. 2017. Vol. 10. No. 2. P. 317-328.
14. Environment and harvest time affects the combustion qualities of Miscanthus genotypes / I. Lewandowski, J. C. Clifton-Brown, B. Andersson, et al. // Agronomy Journal. 2003. Vol. 95. P. 1274-1280.
15. Гисматулина Ю. А. Исследование химического состава мискантуса сорта Сорановский урожая 2013 г. // Химические науки. 2014. № 1. С. 47-50.
16. Особенности бумагообразую-щих свойств целлюлозы мискантуса / В. В. Будаева, Ю. В. Севастьянова, Ю. А. Гисматулина и др. // Ползуновский вестник. 2015. № 1. С. 78-82.
17. Soil nutrient removal by four potential bioenergy crops: Zea mays, Panicum virgatum, Miscanthus giganteus, and prairie / M. D. Master, Ch.K. Blackb, I. B. Kantola, et al. // Agriculture, Ecosystems and Environment. 2016. No. 216. Р. 51-60.
Cultivation of miscanthus in continental regions of Russia
V. N. Yakimenko1, S. Yu. Kapustyanchik2, G. Yu. Galitsyn2
institute of Soil Science and Agrochemistry, Siberian branch, Russian Academy of Sciences, prosp. Akademika Lavrent'eva, 8/2, Novosibirsk, 630090, Russian Federation
2Siberian Research Institute of Plant Growing and Breeding, branch of the "Federal Research Center the Institution of Cytology and Genetics", Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, ul. S-100, zd. 21, a/ya 375, pos. Krasnoobsk, Novosibirskii r-n, Novosibirskaya obl., 630501, Russian Federation
Abstract. The studies assess the possibility of long-term cultivation of miscanthus and its phytomeliorative effect on the soil of the agrocenosis. Miscanthus was planted in 2005, 2009 and 2015 in the Novosibirsk Ob region. The soils were grey forest and sod-podzolic. The aboveground biomass of plants was sampled during the period of its ageing, the content of total nitrogen, phosphorus, potassium, and magnesium was determined (according to Ginzburg); we determined the yield and quality of raw material. The soil was sampled layer by layer (every 20 cm) in the ageing phase of plants, the content of humus (according to Tyurin), nitrate nitrogen (using an ionomer), readily mobile phosphorus (according to Franceson), exchangeable potassium and magnesium (in 1 M CH3COONH4) was determined. Miscanthus can grow efficiently in soils with low fertility. Under the conditions of the region, plantations can be permanently cultivated without a decrease in yield for at least 14 years. In 2018, on plots planted in 2005,2009 and 2015, the yield was 12.4 t/ha, 14.3 t/ha and 10.8 t/ha, respectively. The annual removal of nitrogen from the soil with a crop was equal to 17-20 kg/ ha, phosphorus - 11-17 kg/ha, potassium -35-40 kg/ha, magnesium - 2-3 kg/ha, which indicates a low level of elements alienation. The cellulose content in miscanthus biomass was 53%. For 11 years of permanent cultivation of the culture, the humus content in the soil increased by 0.3-0.4% (both in comparison with the original old-arable soil and the soil of fallow). The tendency of accumulation of mobile forms of ash elements in the upper soil layer under miscanthus was noted: the content of easily exchangeable phosphorus was 12.6 mg/kg, exchangeable magnesium - 3.6 mg / 100 g (in the soil of fallow these values were 10.6 mg/kg and 3.1 mg / 100 g, respectively).
Keywords: miscanthus (Miscanthus spp.); yield; quality; removal of nutrients; soil; fertility.
Author Details: V. N. Yakimenko, D. Sc. (Biol.), head of laboratory (e-mail: yakimen-ko@issa-siberia.ru ); S. Yu. Kapustyanchik, ^ Cand. Sc. (Biol.), senior research fellow (e-mail: kapustyanchik@bionet .nsc.ru); G. Yu. Galitsyn, Cand. Sc. (Agr.), senior re- e search fellow. s
For citation: Yakimenko VN, Kapustyan- e chik SYu, Galitsyn GYu. [Cultivation of mis- 2 canthus in continental regions of Russia]. 2 Zemledelie. 2021;(2):27-31.Russian. doi: ° 10.24411 / 0044-3913-2021-10206. O
