Агрохимия, 2022, № 2, стр. 28-33
Влияние длительного применения удобрений на плодородие луговой черноземовидной почвы и урожайность сои
Е. Т. Наумченко 1, *, Е. В. Банецкая 1, **
1 Федеральный научный центр – Всероссийский научно-исследовательский институт сои
675027 Амурская обл., Благовещенск, Игнатьевское шоссе, 19, Россия
* E-mail: net@vniisoi.ru
** E-mail: bev@vniisoi.ru
Поступила в редакцию 22.06.2021
После доработки 22.07.2021
Принята к публикации 13.09.2021
- EDN: XMWDIW
- DOI: 10.31857/S0002188121120085
Аннотация
Изучено влияние длительного систематического применения удобрений на показатели плодородия луговой черноземовидной почвы и урожайность сои в севообороте в условиях южной зоны Амурской обл. в стационарном полевом опыте. Проанализировано агрохимическое состояние почвы и показатели урожайности сои за 1963–1967 (1-я ротация) и 2013–2017 гг. (11-я ротация). В результате сравнительной оценки изменения плодородия почвы выявлено, что длительное применение удобрений со среднегодовой нагрузкой на 1 га севооборотной площади N42Р48 в 2.5–3.0 раза увеличивало содержание подвижного фосфора относительно исходного содержания за счет повышения в структуре фосфатного фонда доли рыхлосвязанных фосфатов и фосфатов алюминия. Замена части дозы удобрений аналогичным количеством навоза (N24Р30 + навоз 4.8 т/га) способствовала переходу от гуматно-фульватного к гуматному типу гумусообразования, с доминированием в составе гумусовых кислот и повышением мобильности органического вещества почвы. Сильная связь между содержанием азота в растениях, численностью аммонификаторов, количеством лабильного гумуса и минерального азота в почве (r = 0.83) указала на то, что в период образования генеративных органов растений сои в почве проходило наиболее активное разложение подвижных гумусовых веществ с высвобождением элементов, участвующих в питании растений. Изменение уровня плодородия почвы было сопряжено с повышением зерновой продуктивности сои, которая в 11-й ротации составила 2.00–2.04 т/га, что на 0.42–0.54 т/га больше по сравнению с 1-й ротацией и на 0.13‒0.22 т/га – со средними показателями за годы исследования.
ВВЕДЕНИЕ
Сохранение и увеличение почвенного плодородия – один из путей повышения урожайности возделываемых культур. В условиях интенсификации сельскохозяйственного производства увеличивается антропогенное воздействие на почву: повышается интенсивность обмена почвы со средой, в результате чего изменяется ее биологическое состояние и соотношение между компонентами [1]. В этом плане основные агрохимические показатели – содержание гумуса, реакция среды и содержание подвижных соединений фосфора и калия – однозначно могут служить основной оценкой устойчивости агроэкосистемы к внешним воздействиям [2–4]. Формирование урожая культур происходит за счет использования почвенных ресурсов элементов питания как природных, так и накопленных в результате внесения удобрений. В связи с этим одним из основных средств, обеспечивающих высокую продуктивность сельскохозяйственных культур, является применение удобрений, на долю которых приходится 30–50% дополнительного урожая [5, 6]. В результате исследований влияния удобрений на плодородие почвы доказано, что изменение ее показателей зависит как от различий в свойствах самих почв, так и от химической нагрузки, обусловленной видом, дозой, а главное – длительностью внесения удобрений [7].
Активно функционирующий микробный ценоз является одним из главных показателей плодородия почвы. Микроорганизмы трансформируют растительные остатки, участвуют в формировании структуры почвы, образовании гумуса и его минерализации [8]. Почвенная микрофлора не только активно участвует в формировании плодородия, но и является индикатором изменений, происходящих в почвенной среде. В зависимости от вида растительных остатков, вовлекаемых в почвообразовательный процесс, изменяется качество гумуса, от которого зависят физико-химические свойства почвы [9, 10]. Длительное систематическое использование даже сравнительно невысоких доз удобрений может стимулировать или угнетать почвенную биоту, влиять на ее видовое разнообразие и тем самым повышать или снижать запасы гумуса в пахотном слое.
Объективно и всесторонне изучить влияние удобрений на воспроизводство плодородия и повышение продуктивности почвы можно лишь в длительных опытах с удобрениями при сравнительной оценке различной их нагрузки на почву. В связи с этим результаты более полувекового (55 лет) мониторинга плодородия почвы в стационарном 5-польном севообороте с применением минеральных и органических удобрений имеют важное значение как для изучения изменения условий повышения плодородия почвы, так и для разработки механизма оптимизации питательных элементов с целью повышения урожайности сельскохозяйственных культур.
Цель работы – изучение влияния длительного систематического применения удобрений на показатели плодородия луговой черноземовидной почвы и урожайность сои.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
В стационарном 5-польном севообороте (соево-овсяная смесь – соя – пшеница – соя – пшеница) в течение 11-ти ротаций проводили изучение влияния длительного применения минеральных и органических удобрений со среднегодовой нагрузкой на 1 га севооборотной площади N24Р30, N42Р48 и N24Р30 + навоз 4.8 т на изменение показателей плодородия и продуктивность севооборота. Дозы удобрений сравнивали как между собой, так и с вариантами опыта, где вносили только азот в дозе N24 и без внесения удобрений (контроль). Из минеральных удобрений применяли Рсд и Nаа, из органических – полуперепревший навоз крупного рогатого скота. Опыт имеет 3 закладки со сдвигом во времени и трехкратную повторность в пространстве. Варианты опыта размещали систематически в трехкратной повторности, общая площадь делянки – 180, учетная – 72 м2. Почва опытного участка – луговая черноземовидная маломощная в комплексе со среднемощной (Классификация почв СССР, 1977). В почвенных образцах, отобранных с глубины пахотного слоя в конце ротации севооборота, определяли гумус по методу Тюрина в модификации Пономаревой–Плотниковой, его активные компоненты – по методике ВНИИА, подвижный фосфор – методом Кирсанова, обменную кислотность – потенциометрическим методом, гидролитическую – по Каппену в модификации ЦИНАО. Для характеристики микробиологической активности определяли численность протеолитической и аммилолитической микрофлоры методом посева почвенной суспензии на твердые питательные среды: мясо-пептонный агар (МПА) и крахмало-аммиачный агар (КАА) соответственно.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В конце 11-й ротации установлено, что применение повышенной дозы минеральных удобрений (N42Р48) увеличило гидролитическую кислотность почвы на 0.88 мг-экв/100 г почвы, обменную – на 0.2 ед. рН по сравнению с исходным показателем, тогда как при замене эквивалентной части дозы навозом (N24Р30 + навоз 4.8 т/га) отмечали снижение гидролитической кислотности на 0.5 мг-экв/100 г почвы, обменной – на 0.2 ед. рН (табл. 1). Содержание подвижного фосфора увеличилось относительно исходного на 17–56 мг/кг почвы за счет увеличения в структуре фосфатного фонда доли рыхлосвязанных фосфатов на 0.7–2.5 и фосфатов алюминия – на 4.8–6.5%. Применение минеральных удобрений совместно с навозом увеличило содержание гумуса относительно исходного на 0.34%.
Таблица 1.
Сравнительная оценка влияния длительного внесения удобрений на изменение агрохимических свойств пахотного слоя почвы
| Вариант | рНКCl | Нг | ΣCa2+ + Mg2+ | Р2О5, мг/кг почвы | Гумус, % |
|---|---|---|---|---|---|
| мг-экв на 100 г почвы | |||||
| Контроль (без удобрений) | $\frac{{5.0}}{{5.0}}$ | $\frac{{4.42}}{{4.44}}$ | $\frac{{22.5}}{{22.4}}$ | $\frac{{20}}{{28}}$ | $\frac{{4.20}}{{4.19}}$ |
| N24 | $\frac{{5.2}}{{5.0}}$ | $\frac{{4.30}}{{4.62}}$ | $\frac{{22.3}}{{21.9}}$ | $\frac{{22}}{{22}}$ | $\frac{{4.23}}{{4.08}}$ |
| N24Р30 | $\frac{{5.0}}{{5.0}}$ | $\frac{{4.40}}{{4.70}}$ | $\frac{{22.0}}{{22.0}}$ | $\frac{{25}}{{42}}$ | $\frac{{4.29}}{{4.19}}$ |
| N42Р48 | $\frac{{5.1}}{{4.9}}$ | $\frac{{4.41}}{{5.29}}$ | $\frac{{22.7}}{{21.5}}$ | $\frac{{29}}{{74}}$ | $\frac{{4.25}}{{4.16}}$ |
| N24Р30 + навоз 4.8 т/га | $\frac{{5.0}}{{5.2}}$ | $\frac{{4.40}}{{3.90}}$ | $\frac{{22.4}}{{22.5}}$ | $\frac{{28}}{{84}}$ | $\frac{{4.21}}{{4.55}}$ |
Одним из наиболее важных, информативных параметров действия различных антропогенных факторов на плодородие является комплекс показателей гумусового состояния почвы. Длительное применение повышенных доз минеральных удобрений и замена части их навозом способствовало переходу от гуматно-фульватного к гуматному типу гумусообразования (соотношение ГК : ФК составило соответственно 1.80 и 1.53), с доминированием в составе гумусовых кислот (ГК) – наиболее агрономически ценной фракции, связанной с кальцием. Группа фульвокислот (ФК) представлена в основном 2-й фракцией (связанной с СаО), относительное содержание которой менялось от 30 до 45% от суммы всех фракций ФК. Повышенное содержание (на 1.2% больше относительно других вариантов) “агрессивной” фракции ФК (1а по Тюрину) при использовании N42Р48 отчасти объясняет увеличение кислотности почвы при высокой ее насыщенности Са+2 и Мg+2.
Анализ показателей подвижности (лабильности) гумуса проводили по изменению содержания гумусовых кислот, непрочно связанных с минеральной частью почвы. Из фракционного состава гумуса эту группу кислот выделяют в качестве самостоятельного компонента и идентифицируют как фракцию ГК-1 [11]. Выявлено, что повышение соотношения фракции подвижных гумусовых кислот к сумме фракций, связанных с кальцием и полуторными оксидами, с 0.50 в контроле до 0.62 в варианте с совместным внесением минеральных и органических удобрений может указывать на рост мобильности органического вещества почвы в длительном опыте. Важная роль в этом процессе отводится бактериям азотного обмена, для которых лабильные гумусовые вещества служат энергетическим материалом.
В наших исследованиях было установлено, что применение удобрений со среднегодовой нагрузкой Р30 и N24P30 повышало количество бактерий-аммонификаторов на 2.1 и 3.2 млн КОЕ соответственно относительно контроля при НСР05 = = 1.6 (рис. 1). Считается, что эта группа микроорганизмов легко разлагает лабильные компоненты органического вещества почвы [12]. Корреляционный анализ выявил тесную обратную связь численности аммонифицирующих микроорганизмов с количеством подвижных фракций гумусовых веществ в фазе цветения сои (r = –0.92, dyx = 0.85). Это позволило сделать предварительный вывод о том, что в этот период вегетации наиболее интенсивно проходило разложение лабильного гумуса, содержание которого в последующих фазах снизилось в 3.5 раза в контроле и на 20–62% в вариантах с применением удобрений.
Рис. 1.
Динамика численности бактерий азотного обмена в зависимости от среднегодовой нагрузки удобрениями (2020 г.), млн КОЕ/г почвы. Варианты: 1 – без удобрений, 2 – P30, 3 – N24P30, 4 – N42P48, 5 – N24P30 + навоз 4.8 т/га.
Корреляционно-регрессионный анализ выявил тесную связь между содержанием азота в растениях, численностью аммонификаторов, количеством лабильного гумуса и минерального азота в почве (табл. 2). С вероятностью 69% можно утверждать, что в период образования генеративных органов у растений сои питание происходило за счет элементов, образовавшихся в результате разложения лабильного гумуса. Подтверждением этого также может служить установленная тесная взаимосвязь содержания лабильного гумуса с величиной урожайности семян сои, коэффициент парной корреляции (r) составил 0.89 при rкрит = 0.88.
Таблица 2.
Множественная регрессия содержания азота в растениях в период цветения–образования бобов сои (2020 г.)
| Уравнение регрессии: Nраст = 2.81 – 0.02х1 + 0.44х2 + 0.02х3 | |
|---|---|
| N = 10, R = 0.83, R2 = 0.69 | β коэффициент |
| х1 – Nмин в почве, мг/кг почвы | –0.30 |
| х2 – лабильный гумус, % | 0.69* |
| х3 – аммонификаторы, млн КОЕ/г почвы | 0.29 |
Плодородие почвы является материальной основой урожая, который, в свою очередь, следует оценивать как комплексный продукт связанных между собой физических, химических и биологических свойств почвенной системы. Результаты исследования в краткосрочных полевых опытах, в которых изучали эффективность применения фосфорных и азотно-фосфорных удобрений под сою в Амурской обл., показали, что в 60–66% случаев эффект отсутствовал [13]. Длительный полевой опыт с удобрениями имеет преимущество перед краткосрочными опытами, т.к. позволяет объединить результаты наблюдений в течение длительного времени и оценить их в пространстве, учитывая все факторы жизни растений. Урожайность сои в 1-й ротации длительного севооборота (1963–1967 гг.) изменялась от 1.50 в контроле до 1.57–1.58 т/га в вариантах, где за ротацию была внесена повышенная доза азотно-фосфорных удобрений (рис. 2).
При прохождении первых 6-ти ротаций наиболее эффективно было внесение фосфорных удобрений (Р60), прибавка относительно контроля составляла 0.23 т/га [14]. По истечении 8-ми ротаций, когда содержание подвижных форм фосфора в почве увеличилось соответственно нагрузке удобрениями, наблюдали стабильно повышенную урожайность сои, которая в большей степени зависела от гидротермических условий вегетационного периода, чем от внесения удобрений [15]. Процесс формирования урожая сои за 10 ротаций севооборота при урожайности >2.00 т/га показал, что существует его тесная зависимость (r = 0.71) от гидротермических условий в период развития генеративных органов (отношение суммы выпавших осадков в июле и августе к сумме температур за этот же период) [16]. Влияние агроэкологических условий южной зоны Амурской обл. обеспечило среднюю (за 55 лет) зерновую продуктивность растений сои в контрольном варианте опыта 1.82 т/га.
В 11-й ротации при сложившемся уровне плодородия и относительно благоприятных гидротермических условиях 2013–2017 гг. урожайность культуры в опыте составила 2.00–2.04 т/га, что было на 0.42–0.54 т/га больше по сравнению с 1-й ротацией и на 0.13–0.22 т/га – со средними показателями за 11 ротаций севооборота.
ВЫВОДЫ
1. Длительное применение повышенных доз минеральных удобрений увеличивало содержание подвижного фосфора на 17–56 мг/кг почвы относительно исходного уровня за счет повышения доли рыхлосвязанных фосфатов и фосфатов алюминия в структуре фосфатного фонда.
2. Замена части дозы минеральных удобрений таким же количеством д.в. навоза способствовала переходу от гуматно-фульватного к гуматному типу гумусообразования с доминированием в составе гумусовых кислот наиболее агрономически ценной фракции, связанной с кальцием. Соотношение фракции подвижных гумусовых кислот к сумме остальных фракций увеличилось с 0.50 в контроле до 0.62 в варианте с внесением органо-минеральных удобрений, что указывало на повышение мобильности органического вещества почвы. Обратная корреляционная связь численности бактерий-аммонификаторов с содержанием подвижных фракций гумусовых веществ (r = –0.92, dyx = 0.85) свидетельствовала об интенсивном их разложении с высвобождением элементов питания растений.
3. Изменение уровня плодородия почвы было сопряжено с повышением зерновой продуктивности сои, которая в 11-й ротации составила 2.00–2.04 т/га, что на 0.42–0.54 т/га больше по сравнению с 1-й ротацией и на 0.13–0.22 т/га – со средними за годы исследования показателями.
Список литературы
Масютенко Н.П. Устойчивость органического вещества черноземов к антропогенным воздействиям // Сб. докл. Международ. научн.-практ. конф. Модели и технологии оптимизации земледелия. Курск: ВНИИЗиЗПЭ РАСХН, 2003. С. 505–508.
Титова В.И. Подходы к выбору показателей и опыт оценки способности почвенного покрова к выполнению общебиосферных функций (аналитический обзор) // Аграр. наука Евро-Северо-Востока. 2018. Т. 67. № 6. С. 4–16.
Шаповалова Н.Н. Динамика показателей плодородия и продуктивность чернозема обыкновенного в последействии длительного применения минеральных удобрений в условиях Центрального Предкавказья // Изв. Оренбург. ГАУ. 2019. № 3 (77). С. 8–12.
Nazia R., Liang F., Huang S., Wang B., Xu V., Li J., Gao H., Zhang W. Long-term fertilization effects on organic carbon fractions in a red soil of China // J. Animal Plant Sci. 2019. V. 29. Iss. 5. P. 1383–1389.
Корченкина Н.А., Дабахова Е.В., Титова В.И. Фосфатное состояние светло-серой лесной почвы при внесении возрастающих доз барды послеспиртовой // Аграр. наука Евро-Северо-Востока. 2017. № 2 (57). С. 35–40.
Liu L.-Y., Hua W., Zhang S.-Y., Peng Q.-C., Dai J., Han X.-R. Nitrogen up take of soybean and soil nitrate nitrogen under long-term rotation and different fertilization in a brown soil of northeast China // J. Plant Nutr. Fertil. 2020. V. 26. Iss. 1. P. 10–18.
Ярошенко Т.М., Климова Н.Ф., Журавлев Д.Ю. Длительный стационарный опыт в степном Поволжье: результаты исследований в восьмой ротации зернопарового севооборота // Итоги выполнения программы фундаментальных научных исследований государственных академий на 2013–2020 гг.: Мат-лы Всерос. коорд. совещ. научн. учрежд. – участников Географической сети опытов с удобрениями / Под ред. Сычева В.Г. М.: ВНИИА, 2018. С. 420–429.
Чевердин Ю.И., Гармашова Л.В. Развитие микроорганизмов, связанных с циклом азота в сезонно переувлажненных почвах // Вестн. Курск. ГСХА. 2018. № 6. С. 24–28.
Шаповалова Н.Н., Менькина Е.А. Агрохимическое состояние и биологическая активность почвы в последействии длительного применения минеральных удобрений // Изв. Оренбург. ГАУ. 2018. № 5 (37). С. 43–46.
Zhang J., Chi F., Wei D., Zhou B., Cai S., Li Y., Kuang E., Sun L., Li L.-J. Impacts of long-term fertilization on the molecular structure of humic acid and organic carbon content in soil aggregates in black soil // Sci. Rep. V. 9. Iss. 1. Art. 11908.
Назарова А.В., Попова Е.А. Лабильные формы гумусовых веществ в гумусовых профилях пахотных и залежных дерново-подзолистых суглинистых почв // Изв. СПб. ГАУ. 2015. № 39. С. 101–104.
Завьялова Н.Е., Широких И.Г., Ямалтдинова В.Р. Микробиологическое состояние дерново-подзолистой почвы Предуралья при длительном применении органических и минеральных удобрений // Теор. и прикл. экол. 2020. № 1. С. 151–159.
Прокопчук В.Ф., Ковшик И.Г., Наумченко Е.Т. Повышение эффективности минеральных удобрений под сою в Амурской области // Резервы повышения продуктивности сои: Сб. науч. тр. ВАСХНИЛ, СО, ВНИИ сои. Новосибирск, 1990. С. 140–144.
Степкина Р.Н. Эффективность систематического применения удобрений в севообороте на луговых черноземовидных почвах Приамурья. Благовещенск: ДальГАУ, 2001. 274 с.
Наумченко Е.Т., Ковшик И.Г., Кондратова А.В. Результаты длительного применения системы удобрений под сою в стационарном соево-зерновом севообороте // Итоги исследований по сое за годы реформирования и направления НИР на 2005–2010 гг.: Сб. ст. коорд. Совещ. ВНИИМК. Краснодар, 2004. С. 164–169.
Наумченко Е.Т., Малашонок А.А. Агроэкологические условия формирования урожайности сои в севообороте // Вестн. Рос. сел.-хоз. науки. 2016. № 6. С. 27–29.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Пн.-пт.: 10.00-19.00