Роль сидерации и соломы в формировании экологически устойчивых агробиоценозов в южно-таежной зоне
На правах рукописи
Солдатова София Сергеевна РОЛЬ СИДЕРАЦИИ И СОЛОМЫ В ФОРМИРОВАНИИ ЭКОЛОГИЧЕСКИ УСТОЙЧИВЫХ АГРОБИОЦЕНОЗОВ В ЮЖНО-ТАЕЖНОЙ ЗОНЕ Специальность: 03.02.08 – экология (биология)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Москва 2011
Работа выполнена на кафедре земледелия и агромеорологии и на кафедре мик робиологии и иммунологии Российского государственного аграрного универ ситета – МСХА имени К.А. Тимирязева
Научный консультант: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Матюк Николай Сергеевич
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Фокин Алексей Дмитриевич доктор биологических наук Романенков Владимир Аркадьевич
Ведущая организация: Московский Государственный Университет имени М.В. Ломоносова, факультет почвоведения
Защита состоится 02 ноября 2011 г. в 1430 часов на заседании диссерта ционного совета Д 220.043.03 при РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева Адрес: 127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, 49;
тел. 8(499)977-40-24.
Ученый совет РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.
С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ РГАУ-МСХА имени К.А.
Тимирязева Автореферат разослан «28» сентября 2011 г. и размещен на сайте уни верситета www.timacad.ru
Ученый секретарь диссертационного совета О.В. Селицкая Актуальность исследований. Круговорот органического вещества и регули рование интенсивности биохимических процессов его превращения является неотемлемым условием устойчивого функционирования любой экосистемы, поскольку в циклических процессах закючена основа воспроизводства факто ров биопродуктивности, сохранения экологических и санационных функций конкретных агроценозов (Фокин А.Д., 1993).
Увеличение поступления в почву фитомассы, имитирующей опад в ес тественных фитоценозах, в составе сидеральных культур, пожнивно корневых остатков и соломы на удобрение обеспечивает протекание нор мального биологического круговорота, включающего процессы микробиоло гической минерализации, а также мобилизацию биофильных элементов (Ов сянников, 2000).
Структура и состав органических остатков (корни, пожнивные остатки, побочная продукция, сидерат), а также соотношение в них углерода к азоту влияют на интенсивность их последующего превращения. Ускоренная мине рализация и быстрое возникновение в почвах дефицита свежего органиче ского вещества значительно усиливает микробиологическую нагрузку на гумус, как источник питания, что приводит к более интенсивному его раз ложению и снижению плодородия почв (Аристовская, 1988).
Проблема разработки приемов и технологий, обеспечивающих условия функционирования агроэкоситемы близкие к естественной экосистеме за счет снижения степени разомкнутости круговорота веществ и энергии оста ется актуальной.
Цель исследований: Выявить роль периодического и длительного ис пользования пожнивного сидерата и соломы на удобрение в нормализации биологического круговорота веществ за счет изменения направленности и интенсивности биохимических процессов, обеспечивающих высокую био продуктивность и устойчивость агроэкосистем.
В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:
1. Определить структуру и общее количество органического вещества, поступающего в почву после уборки полевых культур и возделывания пожнивного сидерата и выявить их роль в изменении содержания гу муса;
2. Изучить закономерности трансформации разнокачественных источни ков органического вещества в почве за счет количественного соотно шения между различными группами сапротрофных микроорганизмов при различных технологиях возделывания полевых культур;
3. Изучить санационное действие длительного применения пожнивного сидерата в различных агробиоценозах;
4. Оценить содержание углерода микробной биомассы методом субстрат индуцированного дыхания, а так же его доли в почвенном углероде при однократном и многолетнем применении пожнивного сидерата и соло мы в различных агробиоценозах;
5. Провести сравнительную оценку уровня базального дыхания почвы и устойчивости микробного сообщества агробиоценозов разной интен сивности с естественными биоценозами;
6. Изучить закономерности изменения различных форм азота в агробио ценозах зерно-пропашного севооборота при различных способах и глу бине заделки сидерата и соломы;
7. Провести анализ продуктивности агроценозов на фоне различных сис тем удобрений и обработок почвы и оценить их энергетический потен циал.
Научная новизна исследований. Впервые в Нечерноземной зоне РФ проведена сравнительная оценка устойчивости микробного сообщества и ак тивности микробной биомассы методом субстрат-индуцированного дыхания почв естетственных и агробиоценозов при однократном и многолетнем при менении пожнивного сидерата и соломы на удобрение.
Длительное использование пожнивного сидерата и соломы на удобре ние снижает интенсивность минерализации органического вещества и изме няет направленность биохимических процессов его трансформации в сторону гумусонакопления.
Практическая значимость исследования. Установленные законо мерности формирования агробиоценозов высокой продуктивности в совре менных экологически безопасных системах земледелия за счет изменения интенсивности трансформации органического вещества при разнокачествен ном распределении пожнивного сидерата и соломы в пахотном слое позво ляют поддерживать агроэкосистемы на уровне устойчивости, близкой к есте ственным биоценозам.
Апробация работы. Результаты исследований были доложены на кон ференции «Ресурсосберегающее земледелие на рубеже XXI» (Балашиха, 2009);
Международной научной конференции молодых ученых и специали стов (Москва, 2009);
декабрьской Международной научно-практической конференции (Москва, 2009, 2010);
Всероссийской выставке научно технического творчества молодежи (Москва, 2010).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 7 работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация представлена введением, об зором литературы по данной тематике, описанием объектов, методов и усло вий проведения опытов, экспериментальной частью и ее обсуждением, за ключением с выводами и рекомендациями. Объем диссертационной работы составляет 146 с., включает 39 таблиц, 14 рисунков, список литературы из 205 наименований (в том числе 51 на иностранном языке).
Объекты и методы исследований Исследования проводились в 2009-2011 гг. в полевых стационарных опытах, заложенных на дерново-подзолистых почвах разного грануломет рического состава.
Опыт 1. Полевой стационарный опыт заложен в 1980 году на экспе риментальной базе РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева в учхозе «Михайлов ское» Подольского района Московской области профессором В.Г. Лошако вым. В опыте изучалась возможность насыщения севооборота зерновыми культурами (З) до 83% в сравнении с плодосменным (П), а также бессмен ными посевами с применением минеральных удобрений (NPK), их совмест но с сидератом (NPK+ПС), а также сидератом и соломой (NPK+ПС+С). В годы исследований в зерновом севообороте возделывалась озимая пшеница, по бессменным посевам ячменя был проведен тестовый посев вико-овса, а в плодосмене было поле чистого пара.
Почва опытного участка дерново-подзолистая среднесуглинистая, имеет следующие агрохимические характеристики: содержание гумуса – 1, %, P2О – 58-131 мг/кг почвы, К2О – 164-188 мг/кг почвы;
рНКСl – 5,7.
Опыт 2 был заложен в 2007 г. в Центре точного земледелия на Поле вой опытной станции РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева на дерново подзолистой легкосуглинистой почве с рНКСl – 5,7, содержанием гумуса – 2,4%, P2О – 158-167 мг/кг и К2О – 40-80 мг/кг почвы. В зерно-пропашном се вообороте изучалось влияние разноглубинной заделки пожнивного сидерата и соломы при вспашке (20-22 см) и минимальной (10-12 см) обработке почвы на продуктивность и устойчивость агробиоценозов при традиционных и точ ных системах земледелия.
В качестве естественного биоценоза была взята многолетняя залежь (более 75 лет) с преобладанием в травостое злакового компонента.
Календарные сроки отбора образцов (май, июль) для основных анали зов были приурочены к вегетативным фазам развития возделываемых куль тур: в опыте 1 – озимой пшеницы (кущение, молочная спелость), в опыте – картофеля (всходы, бутонизация), а также до заделки сидерата и соломы (август 2009 г.).
Методика проведения исследований. Определение численности поч венных микроорганизмов проводилось на твердых питательных средах мето дом разведений. Аммонификаторы учитывались на МПА, минерализаторы – на КАА (Теппер и др, 2004). Показатель интенсивности трансформации ор ганических веществ рассчитывали по соотношению КАА к МПА.
Базальное дыхание (БД) определяли по скорости продуцирования СО методом газовой хроматографии в трехкратной повторности. Углерод мик робной биомассы (Смик) и микробный метаболический коэффициент (qCO2) расчитывали по формулам:
Смик = СИД*40,04+0,37 и qCO2=БД*1000/Смик (Anderson, Domsch, 1978;
Ананьева, 2003) Определение щелочногидролизуемого азота проводилось по методу Корнфилда, нитратного и аммонийного – ионноселективным методом, гуму са - по методу Тюрина в модификации ЦИНАО.
Расчет баланса энергетических потоков проводился по методике РАСХН, 1993 г.
Статистическая обработка данных выполнена с использованием про граммы Statistika.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 1. Структура и биомасса поступающего в почву органического вещества в различных агробиоценозах Продуктивность и активность микробного ценоза зависит от многих взаимосвязанных факторов и определяется в первую очередь количеством и биохимическим составом органического вещества, поступающего в почву с растительными остатками возделываемых культур, пожнивным сидератом и соломой, используемой на удобрение.
Сравнительный анализ показал, что на дерново-подзолистых средне суглинистых почвах в среднем за год (Лошаков, 2004) в плодосменном сево обороте с двумя полями многолетних бобово-злаковых трав, поступление растительных остатков было наибольшим и составило 5,05 т/га абсолютно сухого вещества, а при таком же фоне с минеральным питанием в специали зированном зерновом севообороте оно снизилось на 1,2 т/га (рис. 1).
Введение в севооборот промежуточных культур на сидерат обеспечи вало поступление растительных остатков на уровне плодосмена, а одновре менное использование сидерата и соломы повышало их общую массу более чем на 2,5 т/га. При бессменном возделывании ячменя на фонах минерально го и органо-минерального питания отмечалась такая же закономерность в на коплении общего количества органического вещества как и в севообороте, а в варианте без применения удобрений масса корневых и пожнивных остатков была наименьшей и составляла 2,23 т/га, что в 1,7 раза меньше, чем на удоб ренном варианте и в 2,3 раза, чем в плодосмене.
т/га пожнивные корневые сидерат солома 2,46 2, 5 0, 0, 0,79 0, 3, 3 2, 2, 2,76 2,11 2, 2, 1, 1 1,87 1, 1, 1,47 1, 1,40 1, 0, NPK+ПС+С NPK+ПС+С NPK БУ NPK+ПС NPK+ПС NPK NPK П Зерновой Бессменные посевы Рис.1. Структура поступающего в почву органического вещества в специализированных зерновых севооборотах, 1994-1997 гг., по данным проф. В.Г. Лошакова Биомасса пожнивного сидерата, соломы и растительных остатков ози мой пшеницы в зерно-пропашном севообороте зависела от приемов обработ ки почвы и последействия азотных подкормок и составила 10-12 т/га при одинарной и 12,2-14,0 т/га при двойной подкормке (рис. 2).
т/га пожнивные корневые сидерат солома 6, 10 5, 6, 5, 6 2, 3,61 1, 1, 2,84 2, 2,22 2, 1,64 1, 1,28 1, N70+70 N70 N70+70 N вспашка минимальная Рис.2. Структура поступающего в почву органического вещества в зерно-пропашном севообороте ЦТЗ, 2009 г.
Таким образом, введение промежуточных посевов горчицы белой и ис пользование побочной продукции в виде соломы на удобрение увеличивают общую биомассу поступающего в почву органического вещества до 7,5 т/га.
2. Изменение направленности процессов трансформации органического вещества при использовании сидерата и соломы Направленность процессов разложения органики зависит от глубины и способа ее заделки и биохимического состава поступающего вещества, а также структуры микробного ценоза почвы.
Установлена тесная взаимосвязь между численностью микроорганиз мов, разлагающих органический азот и массой поступающей в почву органи ки, а также продолжительностью внесения соломы и пожнивного сидерата.
После кратковременного внесения соломы и сидерата на фоне NPK в дерново-подзолистой почве с содержанием гумуса, близком к оптимальному – 1,95 % (Рогова, 1984), отмечалось резкое возрастание групп микроорганиз мов, определяющих аккумулятивный характер разложения органических ве ществ (табл. 1).
Таблица Изменение интенсивности минерализации органического вещества при разных системах удобрений (КАА/МПА) Севооборот Удобрение Май Июль 1984 г.* 2009 г. 1984 г.* 2009 г.
Плодосменный NPK 0,69 2,32 1,12 1, NPK 0,72 5,42 0,95 1, Зерновой NPK+ПС 0,96 4,43 0,82 1, NPK+ПС+С 0,91 3,05 1,11 0, БУ 0,80 12,8 1,05 1, Бессменные посе- NPK 0,60 9,24 1,17 1, вы NPK+ПС 0,33 1,98 0,84 0, NPK+ПС+С 0,65 2,47 0,66 0, * по данным Т.А. Роговой В специализированном зерновом севообороте и в бессменных посевах на фоне NPK наблюдалась высокая интенсивность минерализации в началь ные фазы роста и развития полевых культур, где показатель минерализации составил 5,42 и 9,24 соответственно. В плодосменном севообороте с двумя полями многолетних трав степень минерализации на аналогичном фоне пи тания снижалась до 2,32.
В наших исследованиях 2009 г. длительное (29 лет) совместное приме нение минеральных и органических удобрений в виде сидерата и соломы в зерновом севообороте замедляло процессы минерализации, о чем свидетель ствует снижение показателя минерализации свежего органического вещества с 5,42 на фоне NPK до 4,43 и 3,05 в вариантах NPK+ПС и NPK+ПС+С соот ветственно. В бессменных посевах при ежегодном внесение сидератов и со ломы наблюдалась такая же закономерность.
К середине вегетации интенсивность минерализации замедлялась во всех вариантам опыта, что подтверждается значением относительного пока зателя минерализации, который снизился до 1,29 в зерновом севообороте и 0,85 в бессменных посевах в варианте NPK+ПС и до 0,80 и 0,48 – на фоне NPK+ПС+С. Это свидетельствует о преобладании в почве процессов накоп ления органического вещества.
Следовательно, применение органо-минеральной системы удобрений в составе NPK на планируемую урожайность, пожнивного сидерата и соломы обеспечивает сбалансированность процессов минерализации и гумификации различных видов органического вещества в пахотном слое почве.
При использовании минеральной системы удобрений, а также в вари антах без удобрений, где единственным источником органической массы яв ляются растительные остатки, преобладают процессы минерализации, что подтверждается более высокими значениями относительного показателя ми нерализации – 1,54 и 1,42 соответственно.
Установленные закономерности трансформации органических веществ в дерново-подзолистой среднесуглинистой почве при длительном примене нии разных систем удобрений в севооборотах различной специализации под тверждаются данными динамики изменения содержания гумуса в пахотном слое 0-20 см (табл. 2).
Таблица Динамика содержания гумуса в пахотном слое почвы при различных системах удобрений Содержание гумуса, % Севооборот Удобрение 1980* 1986* 1998* Плодосменный NPK 1,89 1,93 1, NPK 1,81 1,72 1, 1, Зерновой NPK+ПС 1,82 1,89 1, NPK+ПС+С 1,78 2,01 2, БУ 1,70 1,67 1, NPK 1,69 1,83 1, Бессменные 1, посевы NPK+ПС 1,81 1,96 1, NPK+ПС+С 1,94 1,94 1, * по данным В.Г. Лошакова Внесение минеральных удобрений на планируемую урожайность в плодосменном севообороте на 29 год исследований обеспечивало поддержа ние общих запасов гумуса на уровне простого воспроизводства, а в зерновом севообороте и бессменных посевах ячменя наблюдалась тенденция снижения его содержания к концу шестой ротации на 0,11-0,15%.
Дополнительное поступление органического вещества в виде пожнив ного сидерата и соломы обуславливало устойчивую тенденцию к накопле нию гумуса как в зерновом севообороте (+0,09%), так и в бессменных посе вах ячменя (+0,03%).
На легкосуглинистых почвах в зерно-пропашном севообороте Центра точного земледелия при разовом внесении сидерата и соломы отмечены дру гие закономерности в превращении органических остатков.
Так, направленность процессов трансформации органического вещест ва после уборки озимой пшеницы носила характер минерализации, степень которой зависела от интенсивности обработки почвы под данную культуру, что подтверждается относительным коэффициентом минерализации, равным 14,7 при вспашке и 8,8 при минимальной обработке (табл. 3).
Таблица Изменение интенсивности минерализации органического вещества по соотношению аммонификаторов и минерализаторов при разных системах обработки почвы, КОЕ/г абс.сух.почвы, тыс.шт Обработка Август 2009 г. Май 2010 г.
почвы КАА/ МПА КАА КАА/ МПА КАА минера- МПА аммони- минерали- МПА аммони фикаторы лизаторы фикаторы заторы Вспашка 334±101 744 ±54 2, 215 ±30 2628 ±722 14, Минимальная 191 ±50 612±207 1132 ± 309 1, 1690 ±634 8, Многолетняя залежь 149±11 1260 ±61 8, При введении пожнивного сидерата и использовании соломы в качест ве удобрения на дерново-подзолистых легкосуглинистых почвах скорость их разложения определялась глубиной заделки и интенсивностью перемешива ния.
Нами установлено, что интенсивность и направленность почвенных биохимических процессов превращения поступающей в почву органики так же зависела от гранулометрического состава почвы (табл. 4). Анализ данных показывает, что на более тяжелых почвах разложение органического вещест ва при кратковременном действии пожнивного сидерата и соломы происхо дит при низкой степени его минерализации (К=1,11), а на более легких поч вах она усиливается (К=2,61). Длительное действие и последействие (более 25 лет) этих видов органических удобрений обуславливало гумусонакопи тельный эффект (К=0,80).
Таблица Изменение показателя минерализации в пахотном слое почв разного гранулометрического состава при кратковременном и длительном использовании сидерата и соломы совместно с минеральными удобрениями Год проведения Продолжительность ис- Гранулометриче- КАА/ исследований пользования сидерата ский состав почвы МПА* 1984 г., по дан- Кратковременное дейст 1, ным Роговой Т.А. вие средний суглинок Длительное действие и по 2009 г. 0, следействие 2010 г. Кратковременное действие легкий суглинок 2, Таким образом, использование пожнивного сидерата и соломы на удобрение изменяет направленность и интенсивность трансформации посту пающего в почву органического вещества, снижает его минерализацию и увеличивает содержание гумуса.
3. Стабилизация биологических показателей плодородия за счет пожнивного сидерата и соломы Пожнивный сидерат, являясь источником свежей органической массы, создает благоприятные условия для жизнедеятельности дождевых червей, численность которых коррелировала с массой поступающих растительных остатков. (рис. 3).
шт/м 40 1995-2003 гг.* 2009 г.
33 30 28 20 15 NPK БУ NPK NPK+ПС NPK+ПС+С П Бессменные посевы Рис.3. Количество дождевых червей в севообороте и бессменных посевах Так, в плодосменном севообороте с двумя полями многолетних трав количество дождевых червей было наибольшим и составляло 33-37 шт/м2, а в бессменных посевах в вариантах без удобрений – наименьшим (13-18 шт/м2).
Применение NPK увеличивало массу и глубину проникновения корней, что положительно сказалось на их численности (28 шт/м2). Дополнение фона NPK органической массой сидерата и соломы оптимизировало условия жиз недеятельности дождевых червей, численность которых возрастала до уровня плодосмена.
Фитосанитарная роль пожнивного сидерата проявлялась и в снижении численности и массы сорного компонента разных агрофитоцензов, а также степени проявления и развития корневых гнилей озимой пшеницы (табл. 5).
Так, численность малолетних сорных растений в вариантах с запашкой пож нивного сидерата в среднем за годы исследований уменьшилась на 32-34%, многолетников – в 2-7 раз при снижении их абсолютно сухой массы в 1,26 и 1,55 раза. Степень развития болезни зерновых при этом снижалось на 17,8%.
Таблица Санационное действие горчицы белой в посевах озимой пшеницы в специализированном зерновом севообороте Вариант Сорняки Развитие удобрений абсолютно сухая корневых гнилей, количество, шт/м масса, г/м2 % 2003 г.* 2009 г. 2003 г.* 2009г. 2003 г.* 2009 г.
NPK 27,7 22,7 24,1 26, 25,2 27, 1,3 1,4 1,9 1, NPK+ПС 18,1 15,4 19,0 18, 20,7 22, 0,5 0,2 1,2 1, NPK+ПС+С 23,1 19,5 22,9 23, 21,8 22, 1,9 1,8 1,5 1, * по данным В.Г. Лошакова,1995-2003 гг.
числитель – всего сорняков, знаменатель – в т.ч. многолетних 4. Микробная биомасса и ее дыхательная активность Запас углерода микробной биомассы при внесении в почву дополни тельного органического вещества увеличился в зерновом севообороте с мкгС/г почвы в варианте NPK, до 124 мкгС/г почвы на фоне NPK+ПС и до 140 мкгС/г почвы – NPK+ПС+С (табл. 6).
В бессменных посевах запас углерода микробной биомассы также за висел от фона питания и составлял в варианте без удобрений 42 мкгС/г поч вы, на фоне NPK он увеличивался до 112 мкгС/г почвы, а NPK+ПС – до 360мкгС/г почвы. Использование NPK+ПС+С снижало этот показатель до 189 мкгС/г почвы, что связано с увеличением доли трудноминерализуемых органических веществ, содержащихся в соломе.
Таблица Влияние удобрений на запас углерода микробной биомассы (Смик) и его долю в общем органическом углероде (Смик/Сорг) в пахотном слое дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы, май 2009 г.
Варианты Чередование культур Зерновой севооборот Бессменные посевы Смик, мкгС/г Смик/Сорг, % Смик, мкгС/г Смик/Сорг, % почвы почвы - БУ 42±11 0,43±0, NPK 115±41 1,16±0,21 112±72 1,17±0, NPK+ПС 124±29 1,12±0,22 360±63 3,15±0, NPK+ПС+С 140±61 1,20±0,24 189±75 1,64±0, Содержание углерода микробной биомассы является чувствительным индикатором качества органического вещества почвы и динамики его изме нений. Высокая величина Смик/Сорг в почве соотносится с высоким урожаем сельскохозяйственных культур и является хорошим индикатором "здоровья" почвы. Более того, возрастание отношения Смик/Сорг является свидетельством возвращения в почву углерода растительной биомассы (Ананьева, 2003).
Доля Смик в Сорг в зерновом севообороте существенно не различалась и составила 1,13-1,20%. Отношение Смик/Сорг в бессменных посевах досто верно увеличивалось в зависимости от уровня обеспечения элементами пита ния и составляло в вариантах без применения удобрений 0,43%, на фоне NPK – 1,15%, NPK+ПС – 3,16% и NPK+ПС+С – 1,68% соответственно.
4,5 % 900 2009 август 2009 август мкг С/г 2010 май 2010 май почвы 2010 июль 2010 июль 3, 500 2, 3, 400 300 1, 2,14 2,051, 401 1,65 1, 200 369 1, 231 100 0, 0 Залежь Вспашка Минимальная Залежь Вспашка Минимальная Рис.4. Динамика изменения запасов углерода Рис.5. Доля углерода микробной биомассы микробной биомассы (Смик) в пахотном в общем органическом углероде в пахот слое дерново-подзолистой легкосуглинистой ном слое дерново-подзолистой легкосуг почвы при разных обработках линистой почвы при разных обработках Наибольшие запасы углерода микробной биомассы и доли его в общем углероде отмечены в естественном биоценозе – 795 мкгС/г почвы и 3,57% соответственно, что обусловлено большим видовым разнообразием компо нентов экосистемы, а также непрерывным процессом отрастания и отмира ния растительной биомассы (рис. 4,5).
Техногенные нагрузки на фоне периодического поступления органиче ского вещества в почву (пожнивный сидерат и солома) снижают запасы уг лерода микробной биомассы и его долю в общем углероде как в послеубо рочный период, так и в период вегетации картофеля.
Одним из информативных интегральных показателей экофизиологиче ского состояния микробного сообщества считается микробный метаболиче ский коэффициент (qC02), отражающий также удельное дыхание почвенных микроорганизмов. Обосновано, что высокое значение qC02 в пахотных поч вах свидетельствует о высоких затратах углерода при обороте питательных веществ (Insam H., 1990).
Так, в бессменных посевах достоверно наименьшая величина qCО2 от мечалась в вариантах NPK+ПС и NPK+ПС+С и составляла 0,93 и 1,74 мкг С–СO2/мгС мик/ч соответственно, а наибольшая – в вариантах без удобре ний и NPK 6,75 и 5,55 мкг С–СO2/мгСмик/ч соответственно (табл. 7).
Таблица Влияние удобрений на базальное дыхание (БД) в пахотном слое дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы, 2009 г.
Варианты Чередование культур Зерновой севооборот Бессменные посевы БД, мкг С–СO2/г qCО2, мкг С– БД, мкг С–СO2/г qCО2, мкг С– почвы/ч СO2/мг Смик/ч почвы/ч СO2/мг Смик/ч БУ - 0,28±0,17 6,75±1, NPK 0,31±0,10 0,38±0, 3,17±0,61 5,55±0, NPK+ПС 0,31±0,14 0,30±0, 2,96±0,51 0,93±0, NPK+ПС+С 0,35±0,21 0,26±0, 3,22±0,98 1,74±0, В зерно-пропашном севообороте уровень дыхания в начале вегетации при оптимальных условиях влаго- и теплообеспеченнности определялся мас сой поступающих в почву органических веществ сидерата и соломы, а также разными способами и глубиной их заделки (табл. 8). В середине вегетации он был выровнен по вариантам и находился в среднем на уровне 0,40-0,46 мкг С-СО2/г почвы/ч как в агроэкосистемах, так и в естественном биоценозе.
Наименьшее значение метаболического коэффициента отмечено в био ценозе многолетней залежи 0,55 мкг С–СO2/мг Смик/ч, что свидетельствует о устойчивом состоянии микробного сообщества данной экосистемы. Сниже ние антропогенной нагрузки на агробиоценоз за счет минимализации обра ботки почвы обеспечивает более устойчивое его состояние по сравнению с интенсивной обработкой почвы в виде вспашки.
Таблица Базальное дыхание (БД) и метаболический коэффициент (qСO2) в пахотном слое дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы при разных обработках Срок определения Обработка почвы Август 2009 г. Май 2010 г. Июль 2010 г.
Базальное дыхание, мкг С–СO2/г в час Вспашка 2,74±0,41 0,40±0,06 0,42±0, Минимальная 1,98±0,31 0,40±0,06 0,46±0, Залежь - - 0,45±0, Метаболический коэффициент, мкг С–СO2/мг Смик/ч Вспашка 7,57±1,26 1,08±0,21 1,49±0, Минимальная 7,23±1,01 1,25±0,11 1,34±0, Залежь - - 0,55±0, Таким образом, выявлено увеличение содержания углерода микробной биомассы, его доли в общем почвенном углероде, а также снижение значения метаболического коэффициента при применении сидерата и соломы.
5. Изменение режима азотного питания при разноглубинной заделке пожнивного сидерата и соломы Микробный ценоз принимает активное участие в формировании и из менении соотношения между различными формами почвенного азота. Его содержание определяется не только уровнем исходного плодородия, но и по ступлением в почву азотистых органических веществ, а также их распреде лением в корнеобитаемом слое почвы.
Щелочногидролизуемый азот наряду с азотом гумуса характеризует потенциальный его запас в почве. Установлено, что при равномерном рас пределение органической массы сидерата и соломы в слое 0-10 см процессы превращения азота идут более интенсивно, чем при заделке их в более глубо кие слои (рис. 6). Независимо от способа заделки пожнивного сидерата и со ломы, а также последействия подкормки азотными удобрениями содержание щелочногидролизуемого азота перед посадкой картофеля находилось в диа пазоне высокой степени обеспеченности этим элементом питания.
Изучение динамики изменения содержания легкогидролизуемого азо та показало, что суммарное его содержание в фазу бутонизации картофеля в основном зависело от способа и глубины заделки пожнивного сидерата и со ломы, а также влажности почвы.
Вспашка мг/кг почвы Минимальная залежь 130, 118, 116,5 121, 97, май июль Рис.6. Содержание щелочногидролизуемого азота в пахотном слое почвы, 2010 г При заделке плугом на глубину 10-20 см минерализация потенциально го азота шла быстрее, чем при заделке дисками на глубину 0-10 см, что свя зано с разной степенью увлажнения зон локализации органической массы.
Содержание аммонийного азота по всем исследуемым вариантам было в 2,5-3 раза выше, чем нитратного и составляло в среднем 99,5 и 36,5 мг/кг почвы соответственно (рис. 7). Такое соотношение свидетельствует о сбалан сированности разложения органического вещества в почве и происходящих в ней процессов.
мг/кг почвы NH4+ 140 NO3 99, 99, 9,8 9, 9, 36, 36,6 33, 33,5 32, май июль май июль июль Вспашка Минимальная Залежь Рис.7. Содержание нитратного (NO3-) и аммонийного (NH4+) азота в пахотном слое дерново-подзолистой почвы, 2010 г.
В остро-засушливых условиях вегетационного периода 2010 года уста новлена тенденция к снижению запасов легкогидролизуемого азота в течение вегетации с 140-160 мг/кг в начале до 40-45 мг/кг в середине.
6. Продуктивность агрофитоценозов Стабилизация гумусового состояния дерново-подзолистой почвы за счет изменения направленности биохимических процессов разложения орга нической массы растительных остатков, пожнивного сидерата и соломы, по вышения почвенных запасов легкодоступных элементов питания проявля лась в улучшении условий роста и развития растений, а также повышении общей продуктивности различных агрофитоценозов (табл. 9).
Выбор возделываемой культуры (озимые, яровые), способ размещения (севооборот, бессменно), а также различные системы применения удобрений (минеральная и органо-минеральная) оказывали влияние как на формирова ние общей фитомассы конкретными агрофитоценозами, так и на структуру ее компонентов. Установлено, что на фоне NPK общий сбор сухого вещества в агрофитоценозах озимой пшеницы был выше в 1,5 раза по сравнению с яч менем. Стабилизация питательного режима почвы за счет обогащения эле ментами питания из сидерата и соломы повышала общую продуктивность озимой пшеницы на 15 и 26%, а ячменя в 1,2 и 1,4 раза.
Таблица Продуктивность агрофитоценозов зерновых при разных системах удобрений, в среднем за 5 ротаций Общая про Культура Компоненты фитомассы, т/га Удобрение дуктивность (Севооборот) ОП ПП РО ПС СР т/га % NPK 3,22 4,51 3,80 - 0,26 11,8 Озимая пшеница NPK+ПС 3,52 4,58 4,28 1,01 0,16 13,6 (Зерновой) NPK+ПС+С 3,78 5,67 4,30 0,90 0,19 14,8 БУ 1,28 2,05 1,92 - 0,75 6,0 Ячмень NPK 2,01 2,41 2,81 - 0,62 7,8 (Бессменные NPK+ПС 2,05 2,46 2,87 1,21 0,44 9,0 посевы) NPK+ПС+С 2,31 2,54 3,23 0,91 0,44 9,7 * Условные обозначения в табл. 9 и10 аналогичны: ОП – основная продукция;
ПП – по бочная продукция;
РО – растительные остатки;
СР – сорные растения;
ПС – пожнивный сидерат.
Уровень продуктивности севооборотного звена озимая пшеница – гор чица белая на сидерат – картофель в опыте Центра точного земледелия опре делялся эффективностью использования горчицей белой остаточного азота позднелетней подкормки озимой пшеницы, влияющей на сбор сухого веще ства сидерата, а также способом и глубиной заделки сидеральной культуры (табл. 10).
Таблица Продуктивность севооборотного звена озимая пшеница – горчица белая на сидерат – картофель при разных способах обработки почвы, т/га абс. сух. в-ва Обра- Удобре- Озимая пшеница, Все- Все ПС, Картофель, 2010 г. Всего ботка ние 2009 г. го, го, 2009 за год почвы 2009 ОП ПП РО СР ОП ПП РО СР Вспашка N70 4,38 5,26 1,82 0,25 1,20 12,9 3,84 3,00 0,99 0,15 7,98 10, N70+70 4,26 5,11 1,75 0,14 3,61 15,0 4,84 4,26 1,21 0,12 10,43 12, Мини- N70 5,18 6,21 2,12 0,15 1,57 15,2 4,14 3,23 1,04 0,10 8,51 11, мальная N70+70 5,41 6,55 2,14 0,11 2,95 17,2 4,34 3,82 1,08 0,08 9,32 13, При возделывании озимой пшеницы в накоплении как общей продук тивности, так и основных ее компонентов более эффективной была мини мальная обработка почвы, а при возделывании картофеля – отвальная, где общая биомасса возрастала на 4,1 и 21,4% соответственно.
Повышение коэффициента использования азота подкорми за счет вве дения в зерно-пропашной севооборот пожнивного сидерата не только пре дотвращало потери этого элемента из почвы, но и повышало общую продук тивность на 21% в вариантах со вспашкой и на 11,5% при минимальной об работке.
7. Баланс энергопотоков в различных агроценозах Наши исследования показали, что приход энергии в определенном аг роценозе определяется дозами и видами вносимых удобрений, массой расти тельных остатков, оставляемых возделываемыми в севообороте культурами, пожнивным сидератом и соломой на удобрение.
В вариантах NPK энергетическая емкость агроценоза плодосменного севооборота была на 22 тыс.МДж/га больше, чем специализированного зер нового. В зерновом севообороте применение NPK+ПС увеличивало энерге тическую емкость на 20 тыс.МДж/га, а NPK+ПС+С – на 69,4 тыс.МДж/га по сравнению с вариантом NPK (табл. 11).
В бессменных посевах ячменя наименьшее количество энергии акку мулировалось в вариантах без удобрений – 38,7 тыс.МДж/га. Внесение рас четных доз NPK увеличивает энергоемкость в 2 раза, запашка пожнивного сидерата – в 2,6 раза, а совместное использование сидерата и соломы – в 4,1раза по сравнению с вариантами без удобрений.
Расход энергии наиболее высоким был в вариантах совместного внесе ния минеральных удобрений и сидерата и составил 147,4 тыс.МДж/га.
Введение многолетних трав двух лет пользования в плодосменном, а также совместное использование пожнивного сидерата и соломы на удобре ние в зерновом севообороте обеспечивают накопительный эффект энергопо токов в полевых агроценозах, где КБЭП составил 1,12 и 2,34 соответственно.
Таблица Баланс энергетических потоков при использовании сидератов и соломы на удобрение в севооборотах разной специализации (тыс.МДж/га), в среднем за ротацию Приход энергии Расход энергии Сев-т Удобрение КБЭП МУ РО ПС С Всего ОП ПП МГ Всего П NPK 11,8 88,9 - - 100,7 31,8 44,5 13,6 89,9 1, NPK 11,8 66,9 - - 78,7 49,1 61,7 27,2 138,0 0, З NPK+ПС 11,8 74,4 12,5 - 98,7 53,1 71,3 23,2 147,4 0, NPK+ПС+С 11,8 75,6 11,1 71,6 170,1 54,4 - 18,4 72,8 2, БУ - 38,7 - - 38,7 24,1 30,6 34,5 89,2 0, NPK 10,7 65,4 - - 76,6 47,9 70,3 29,9 148,1 0, БП NPK+ПС 10,7 73,6 15,1 - 99,4 48,9 68,4 25,3 142,6 0, NPK+ПС+С 10,7 66,2 14,5 68,4 159,8 48,9 - 18,4 67,3 2, * МУ – минеральные удобрения;
РО – растительные остатки;
К – корневые остатки;
ПС – пожнивный сидерат;
С – солома;
ОП – основная продукция;
ПП – побочная продукция;
МГ – минерализация гумуса;
КБЭП – коэффициент баланса энергетических потоков.
Снижение интенсивности механического воздействия на почву в звене севооборота озимая пшеница – картофель обеспечивало также положитель ный баланс энергии в зерно-пропашном севообороте Центра точного земле делия, что подтверждается увеличением значения КБЭП с 0,90 при вспашке до 1,27 при минимальной обработке почвы (табл. 12).
Таблица Баланс энергетических потоков(тыс.МДж/га) при разных по интенсивности системах обработки почвы в звене севооборота озимая пшеница – картофель, 2009-2010 гг.
Система обра- Приход энергии Расход энергии КИ КБЭП ботки почвы МУ РО ПС С Всего ОП ПП МГ Всего Вспашка 1,0 11,7 61,5 37,3 94,4 205 83,8 71,7 71,8 227 0, Минимальная 0,42 11,7 76,0 37,6 116,1 241 72,8 55,3 61,6 190 1, * КИ – коэффициент интенсификации;
МУ – минеральные удобрения;
РО – растительные ос татки;
ПС – пожнивный сидерат;
С – солома;
ОП – основная продукция;
ПП – побочная про дукция;
МГ – минерализация гумуса;
КБЭП – коэффициент баланса энергетических потоков.
Таким образом, энергетическая устойчивость конкретной агроэкоси стемы определяется набором с/х культур и уровнем их продуктивности, сба лансированностью применяемых систем удобрений за счет использования пожнивных культур и побочной продукции на удобрение и интенсивностью механического воздействия на почву приемами обработки, которые опреде ляют скорость и направленность превращения органического вещества.
ВЫВОДЫ 1. Применение пожнивного сидерата и соломы на удобрение увеличивало поступление органических веществ в почву по сравнению с вариантом NPK в среднем на 3,75 т/га. Сбалансированная органо-минеральная систе ма удобрений включающая расчетные дозы NPK, сидерат и солому в спе циализированном зерновом севообороте и бессменных посевах обеспечи вает увеличение содержание гумуса на 0,09% и 0,03% соответственно.
2. Пожнивный сидерат и солома на удобрение существенно влияют на каче ственный состав микробного сообщества – возрастает доля аммонифика торов и снижается доля минерализаторов (соотношение увеличивается в 1,8-3,4 раза), что изменяет направленность биохимических процессов в сторону относительного снижения минерализации и накопления более ста бильных форм органического вещества. Минимализация обработки почвы также снижает долю минерализаторов на 17-25% по сравнению со вспаш кой.
3. Существенное влияние на соотношение минерализаторов и аммонифика торов в микробном сообществе оказывает гранулометрический состав поч вы. Показатель минерализации в дерново-подзолистой среднесуглинистой почве снижался в 2-2,5 раза по сравнению с легкосуглинистой почвой.
4. Санационная роль сидеральных культур при длительном их применении проявляется в улучшении показателей фитосанитарного состояния посевов и почвы, которое подтверждается снижением численности малолетних сорных растений в среднем за годы исследований на 32-34%, многолетни ков – в 2-7 раз при уменьшении их абсолютно сухой массы в 1,26 и 1, раза. Степень развития болезней зерновых за счет этого снижалась на 17,8%, а численность дождевых червей, наоборот, возрастала в 2,1 раза.
5. Длительное применение сидератов и соломы в качестве органических удобрений в бессменных посевах увеличивает запас углерода микробной биомассы в 3,2 раза. Его доля в общем углероде увеличилась с 1,17 в вари анте без удобрений до 3,15% в варианте NPK+ПС. Интенсивные техноло гии возделывания полевых культур, включающие вспашку, при однократ ном внесении сидерата и соломы снижают запасы углерода микробной биомассы по сравнению с естественным биоценозом и минимальной обра боткой почвы в 2,2 и 1,3 раза соответственно.
6. Увеличение массы и разнообразия поступающего в почву органического вещества в специализированном зерновом севообороте существенно не изменяло метаболический коэффициент, а в бессменных посевах снижало его значение в 4,5-5 раза, что усиливало устойчивость микробного ценоза данного агробиоценоза.
7. В острозасушливых условиях вегетационного периода можно предполо жить, что азотное питание растений картофеля происходит в основном за счет аммонийных форм, количество которых в пахотном слое почвы сни жалось с 96-100 в начале до 9,5-10 мг/кг почвы в конце вегетации при ста бильном содержании нитратных форм в течение периода вегетации, кото рое составляло 30-35 мг/кг почвы.
8. Стабилизация питательного режима почвы за счет обогащения элементами питания, поступающими с органической массой сидерата и соломы, улуч шения фитосанитарного состояния посевов и почвы повышала общую продуктивность озимой пшеницы на 15 и 26%, а ячменя в 1,2 и 1,4 раза по сравнению с внесением расчетных доз минеральных удобрений.
9. Увеличение массы органического вещества, поступающего в почву за счет возделывания многолетних трав, использования сидератов и соломы на удобрение, обеспечивали накопительный эффект энергии, что подтвержда ется увеличением коэффициента баланса энергетических потоков, который составил 1,12 в плодосмене, 2,34 в зерновом севообороте и 2,37 при бес сменном возделывании ячменя. Минимализация обработки почвы в зерно пропашном севообороте обеспечивала положительный баланс энергии при КБЭП=1,27.
Рекомендации производству В агробиоценозах южно-таежной зоны на дерново-подзолистых почвах разного гранулометрического состава при разработке системы севооборотов целесообразно вводить посевы промежуточных культур на сидерат, а для сба лансированного круговорота углерода использовать солому зерновых культур на удобрение. Совместное их применение оптимизирует условия жизнедея тельности почвенного микробного сообщества, изменяет интенсивность и на правленность процессов трансформации органического вещества в строну формирования устойчивых органических соединений, что повышает энерго емкость различных агробиоценозов на 15-20% и их экологическую устойчи вость к антропогенному воздействию различной интенсивности.
Список работ, опубликованных по теме диссертации 1. Лошаков В.Г., Синих Ю.Н., Солдатова С.С. Пожнивная сидерация как фактор биологизации земледелия / Сб. Ресурсосберегающее земледелие на рубеже XXI века, М, 2009. - С. 138-144.
2. Лошаков В.Г., Синих Ю.Н., Солдатова С.С. Роль пожнивной сидерации в биологизации земледелия / Доклады ТСХА, Изд. РГАУ-МСХА, 2010. - С.
313-317.
3. Матюк Н.С., Березовский Е.В., Полин В.Д., Гогмачадзе Д.Г., Солдатова С.С. Совершенствование методов борьбы с сорняками в системе точного земледелия / АгроЭкоИнфо. - №1. -2010. - http://www.Agroecoinfo.narod.ru/ jornal/STATYI/2010.
4. Матюк Н.С., Гогмачадзе Д.Г., Солдатова С.С. Роль сидератов в экологи зации и биологизации земледелия / АгроЭкоИнфо.-№1. -2010. -http://www.
Agroecoinfo.narod.ru/jornal/STATYI/2010.
5. Шевченко В.А., Осама Зоде, Матюк Н.С., Солдатова С.С. Эффектив ность систем обработки и удобрений под озимую пшеницу в условиях Цен трального района Нечерноземной зоны. – Плодородие.-№2. – 2010. – С.42-44.
6. Матюк Н.С., Рассадин А.Я., Полин В.Д. Солдатова С.С. Обработка и окультуривание залежных земель в Центральном Нечерноземье / Земледелие.
- №4. – 2010. - С. 26-29.
7. Солдатова С.С. Повышение коэффициента использования азотных под кормок за счет возделывания пожнивного сидерата / Сб. докл. конф. мол.уч.
– Изд-во ТСХА, 2010. - С. 113-117.