Russian Federation
Omsk State Agrarian University
from 01.01.2011 to 01.01.2017
Omsk, Omsk, Russian Federation
UDK 631.5 Агротехника
UDK 631.8 Удобрения. Внесение удобрений. Стимуляция роста растений. Ростовые вещества
UDK 632.95 Ядохимикаты (пестициды)
UDK 633.358 Горох. Pisum spp.
The aim of research is to establish patterns of changes in biological and agrochemical parameters of meadow-chernozem soil with long-term use of resource-saving treatments and chemicalization means in the conditions of the southern forest-steppe of Western Siberia. Stationary studies were conducted in the forest-steppe of the Omsk Region in a grain-fallow crop rotation (fallow – wheat – peas – wheat – barley) under a pea crop at the Omsk Agricultural Research Center. The parameters of changes in the number of individual physiological groups of microorganisms and indicators of biological activity of meadow-chernozem soil under peas were established using agricultural technologies with different levels of intensification, including the minimum-zero tillage system in crop rotation. It was determined that when using complex chemicalization agents in combination with No-till technology of soil cultivation, the activity of bacteria capable of fixing atmospheric nitrogen increased by 34 %, saprotrophic and amylolytic microorga¬nisms – by 13 and 17 % in relation to the control, respectively. The activity of the oxidation-reduction enzyme catalase when using intensification agents, regardless of the technology of pea cultivation, decreased to 28 % of the control. The use of intensification agents led to an increase in the content of nitrate nitrogen in the soil during the budding period, mobile phosphorus by 4 or more times. When assessing the anthropogenic impact on soil microflora, we used the definition of total biological activity, including all the studied biological tests in relative percentages. According to this indicator, soil cultivation options are arranged in a row in ascending order: combined < moldboard < minimum-zero.
biological activity, microorganisms, nitrate nitrogen, mobile phosphorus, meadow-cherno¬zem soil, cultivation technologies, complex chemicalization, peas
Введение. В современном земледелии актуальными являются сравнительная оценка и поиск ресурсосберегающих агротехнологий обработки почвы и эффективных средств интенсификации при возделывании сельскохозяйственных культур. Внесение удобрений, а также применение пестицидов вызывает опасность ухудшения экологического состояния почв. Установление закономерностей изменения микробиологических показателей при длительном применении ресурсосберегающих обработок черноземных почв в условиях интенсификации земледелия – необходимая предпосылка теоретического обоснования рациональных приемов обработки и изменения ее экологического состояния [1, 2].
Показателями биологической активности почв могут служить как количественные характеристики численности и биомассы разных групп биоты почв, так и ее ферментативная активность [3].
В нашей стране и за рубежом проведено значительное количество исследований по влиянию средств интенсификации на биологическую активность почв. Установлено, что внесение удобрений не только не угнетает, а, напротив, увеличивает численность агрономически важных физиологических групп почвенных микроорганизмов – аммонифицирующих, нитрифицирующих, денитрифицирующих бактерий и целлюлозоразрушающих микроорганизмов [4–7].
Ферментативная активность отражает состояние плодородия почв и внутренние изменения, происходящие при сельскохозяйственном использовании и повышении уровня культуры земледелия. Эти изменения обнаруживаются как при вовлечении целинных и лесных почв в культуру, так и при различных приемах их использования [8].
Внесение удобрений, а также применение пестицидов вызывают опасность ухудшения экологического состояния почв. Актуальность исследований состоит в установлении закономерностей изменения биологических показателей при длительном применении энергосберегающих обработок черноземных почв в условиях интенсификации земледелия, что необходимо для теоретического обоснования рациональных приемов обработки и изменения ее биологического состояния.
Цель исследований – установить закономерности изменения биологических и агрохимических показателей лугово-черноземной почвы при длительном применении ресурсосберегающих обработок и средств химизации в условиях южной лесостепи Западной Сибири.
Объекты и методы. Исследования проводили в длительном стационарном опыте в зернопаровом севообороте (пар – пшеница – горох – пшеница – ячмень) лаборатории ресурсосберегающих агротехнологий Омского АНЦ в течение 2022–2023 гг. Севооборот заложен в 1972 г. Культура гороха введена в севооборот с 2021 г. – 1-я ротация севооборота с горохом.
Опыт включал 12 вариантов агротехнологий: четыре варианта средств интенсификации и три системы обработки почвы. Варианты интенсификации (фактор А): контроль (экстенсивная технология), гербициды (Гермес, МД 0,9 л/га), гербициды + инсектициды (Фаскорд.ю, КЭ, 0,3 л/га); гербициды + удобрения (N30P30) + инсектициды. Системы обработки почвы (фактор В): отвальная на глубину 20–22 см ежегодно; комбинированная – вспашка в паровом поле и под третью пшеницу после пара, плоскорезная на глубину 10–14 см под вторую пшеницу после пара и ячмень; No-till – на всех полях без механической обработки. Высевали сорт гороха с усатым типом листа Триумф Сибири зернофуражного направления. По содержанию белка в зерне он соответствует требованиям Госкомиссии, предъявляемым к ценным сортам [9].
Почва опытного участка – лугово-черноземная среднемощная тяжелосуглинистая с содержанием гумуса до 7 %. Сумма обменных катионов составляет 32,1 мг-экв/100 г почвы, заметно уменьшаясь вниз по профилю. В составе катионов преобладает кальций (88,7 %), магния 10,6 % от общей емкости поглощения, натрия практически нет (до 1 мг-экв/100 г), показатель рНвод – 6,8 [10].
Отбор проб для микробиологических исследований проводили в течение вегетации растений (фазы – бутонизация, конец цветения, налив (пожелтение нижних бобов), из 4–5 уколов буром на глубину 0–20 см (Апах). Численность почвенных микроорганизмов учитывали путем высева различных разведений почвенной суспензии на элективных питательных средах: сапротрофных бактерий – на мясопептонном агаре (МПА), микроорганизмов, потребляющих азот в минеральной форме, – на крахмало-аммиачном агаре (КАА), клубеньковых бактерий – на гороховом агаре, почвенных микромицетов на подкисленной среде Чапека [11]. Анализ ферментативной активности почвы (каталазы) проводили в воздушно-сухих образцах – газометрически [12]. Для оценки биологической активности почвы, как суммарного результата сопряженно протекающих процессов, был использован метод относительных величин Ацци в изложении Л.А. Карягиной (1983) [13]. По каждому определяемому биологическому показателю дается относительная оценка его изменения по вариантам опыта. За 100 % принимается наибольший показатель. Относительные величины всего комплекса биологических характеристик суммируются по каждому варианту отдельно, и на основе полученных величин выводится окончательная оценка вариантов. Нитратный азот определяли с дисульфофеноловой кислотой по Грандваль–Ляжу, подвижный фосфор по Францесону [14].
Результаты исследований математически обработаны с использованием дисперсионного анализа [15].
Вегетационные периоды 2022 и 2023 гг. характеризовались засушливостью, ГТК за май–август составлял 0,76 и 0,80 соответственно.
Результаты и их обсуждение. В годы исследований общая численность почвенной микрофлоры пахотного слоя при различных системах обработки почвы под горохом без применения средств комплексной химизации (удобрения, пестициды) составляла 51,4–61,2 млн КОЕ/г с разницей в 19 % в возрастающем ряду: No-till (прямой посев) < отвальная < комбинированная (под горохом плоскорезная на глубину 10–12 см) (табл. 1). Некоторое снижение общей численности микроорганизмов в почве при минимизации обработки было обусловлено уменьшением количества сапротрофов на 22 % (No-till), иммобилизующих минеральный азот на КАА на 25 % по отношению к комбинированной технологии соответственно.
Применение удобрений в сочетании с пестицидами не оказало существенного влияния на количество определяемой почвенной микрофлоры при отвальной и комбинированной обработках в сравнении с контролем без химизации. Наблюдалось незначительное снижение общей численности микроорганизмов в вариантах с интенсификацией до 17 % в пределах ошибки определения. Использование гербицидов и средств комплексной химизации стимулировало рост численности микрофлоры в вариантах с No-till технологией на 22 и 18 % по отношению к контролю соответственно. Применение гербицидов и внесение удобрений в сочетании со средствами защиты растений, сужая соотношение С : N в вариантах с минимизацией обработки, способствовало росту численности сапротрофных микроорганизмов в пахотном слое почвы на 21 и 13 %, амилолитической микрофлоры – на 33 и 17 % в сравнении с контролем. Наибольшее воздействие на численность тестируемых групп оказало применение средств химизации, доля влияния фактора составила 77 и 56 % соответственно.
Таблица 1
Численность микроорганизмов в почве в зависимости от технологии обработки
и применения комплексной химизации (2022–2023 гг., n = 6), КОЕ/г
|
Вариант |
Сапротрофные бактерии на МПА, млн |
Амилолитические микроорганизмы на КАА, млн |
Клубеньковые бактерии, млн |
Микромицеты, тыс. |
Общее количество микроорганизмов, млн |
|
Отвальная |
|||||
|
Контроль |
25,6 |
19,6 |
8,3 |
32,7 |
53,3 |
|
Гербициды |
23,1 |
14,5 |
8,0 |
33,6 |
45,6 |
|
Гербициды + инсектициды |
24,7 |
16,9 |
7,9 |
40,1 |
49,5 |
|
Гербициды + инсектициды + удобрения |
26,0 |
16,8 |
7,2 |
33,5 |
50,0 |
|
Комбинированная |
|||||
|
Контроль |
30,3 |
22,9 |
8,1 |
46,0 |
61,2 |
|
Гербициды |
29,4 |
17,6 |
8,8 |
31,9 |
55,7 |
|
Гербициды + инсектициды |
27,2 |
17,4 |
10,1 |
36,5 |
54,6 |
|
Гербициды + инсектициды + удобрения |
30,8 |
17,6 |
8,8 |
65,1 |
57,2 |
|
No-till |
|||||
|
Контроль |
24,8 |
18,3 |
8,3 |
49,6 |
51,4 |
|
Гербициды |
30,4 |
24,3 |
8,2 |
57,0 |
62,9 |
|
Гербициды + инсектициды |
26,1 |
18,9 |
8,2 |
75,1 |
53,3 |
|
Гербициды + удобрения |
28,1 |
21,4 |
11,1 |
64,0 |
60,5 |
|
НСР05А |
4,7 |
5,3 |
2,9 |
17,7 |
11,0 |
|
НСР05В |
5,4 |
6,1 |
3,4 |
20,5 |
12,7 |
|
НСР05АВ |
9,4 |
10,6 |
5,8 |
35,5 |
22,0 |
Здесь и далее: контроль – без применения средств химизации; НСР05А – обработка почвы;
НСР05В – средства химизации; НСР05АВ – для частных средних.
Следует отметить стимулирующее влияние применения средств комплексной химизации на активность бактерий, способных фиксировать атмосферный азот, увеличение их количества по отношению к контролю составило 34 % при No-till технологии.
Таким образом, при минимизации и полном отказе от обработки почвы (No-till) в сочетании с химизацией отмечается тенденция увеличения численности определяемых групп микроорганизмов по отношению к вспашке, что может быть связано с наличием большего количества растительных остатков – субстрата для развития микрофлоры.
В основе синтеза гумусовых компонентов почвы лежат окислительно-восстановительные процессы, в которых участвуют оксидоредуктазы, в том числе один из наиболее широко распространенных в почве – каталаза.
Активность каталазы в среднем за годы исследований варьировала в пределах от 1,12 до 1,55 см3 О2 в минуту на контрольных вариантах опыта, снижаясь при применении минеральных удобрений в сочетании со средствами защиты растений от 1,12 до 1,30 см3 О2 в минуту. В вариантах комплексной химизации на отвальной и комбинированной обработках снижение составило 12 %, на No-till – 28 % к контролю (табл. 2). Известно, что применение удобрений, органических и минеральных, приводит к снижению активности фермента каталаза [16].
Таблица 2
Активность фермента каталаза в лугово-черноземной почве в зависимости
от применения комплексной химизации (слой 0–20 см, 2022–2023 гг.)
|
Вариант |
Бутонизация |
Конец цветения |
Пожелтение нижних бобов |
Среднее |
|
Отвальная |
||||
|
Контроль |
1,33 |
1,40 |
1,68 |
1,47 |
|
Гербициды |
1,18 |
1,55 |
1,64 |
1,46 |
|
Гербициды + инсектициды |
1,18 |
1,42 |
1,70 |
1,43 |
|
Гербициды + инсектициды + удобрения |
1,07 |
1,34 |
1,48 |
1,30 |
|
Комбинированная |
||||
|
Контроль |
1,30 |
1,45 |
1,60 |
1,45 |
|
Гербициды |
1,36 |
1,48 |
1,65 |
1,50 |
|
Гербициды + инсектициды |
1,21 |
1,43 |
1,50 |
1,38 |
|
Гербициды + инсектициды + удобрения |
1,09 |
1,30 |
1,46 |
1,28 |
|
No-till |
||||
|
Контроль |
1,42 |
1,50 |
1,73 |
1,55 |
|
Гербициды |
1,42 |
1,40 |
1,64 |
1,48 |
|
Гербициды + инсектициды |
1,04 |
1,17 |
1,65 |
1,29 |
|
Гербициды + инсектициды + удобрения |
1,11 |
1,10 |
1,15 |
1,12 |
Примечание: НСР05А = 0,08; НСР05В = 0,09; НСР05АВ = 0,15.
Согласно результатам двухфакторного дисперсионного анализа, установлено максимальное влияние взаимодействия факторов – 84,0 % на каталазную активность лугово-черноземной почвы под посевом гороха.
Определение суммарной биологической активности почвы показало, что в зависимости от обработки варианты располагаются в возрастающем ряду: комбинированная < отвальная < No-till.
Применение средств химизации способствовало повышению суммарной биологической активности почвы: при отвальной обработке – на 14–23 %; комбинированной – на 5–23; No-till – на 17–29 % (рис.).
Наибольшей суммарной биологической активностью лугово-черноземной почвы под посевом гороха выделился вариант с минимальной обработкой почвы при применении средств защиты растений (129 %).
По результатам определения азота нитратов установлено, что содержание этой формы азота в период бутонизации гороха варьировало от низкого до высокого, очень низкие значения отмечены в контрольных вариантах при отвальной и комбинированной обработках (табл. 3).
Применение средств химизации под горох существенно повышало содержание этой формы азота в сравнении с контролем в период бутонизации и соответствовало уровню средней обеспеченности (от 15 до 20 мг/кг и выше N-NO3 в слое 0–20 см). В последующие фазы развития культуры обеспеченность азотом нитратов пахотного слоя по шкале Г.П. Гамзикова [17] была на уровне очень низкой независимо от способа обработки почвы. В динамике содержание нитратного азота в почве снижалось в основном за счет потребления культурой гороха.
Не менее важным в питании растений наряду с азотом является фосфор, так как метаболизм растений в значительной степени зависит и от подвижной фосфорной кислоты. Одной из особенностей западносибирских черноземов является высокое содержание в них органических и органоминеральных фосфатов (70–72 % от общего запаса) и низкое содержание растворимых (подвижных) форм, доступных растениям [18].
Суммарная биологическая активность лугово-черноземной почвы под посевом гороха
в зависимости от применения средств интенсификации и обработок (2022–2023 гг.)
Таблица 3
Содержание нитратного азота в почве под посевом гороха в зависимости от системы
обработки и средств химизации (слой 0–20 см, 2022–2023 гг.), мг/кг
|
Вариант |
Бутонизация |
Конец цветения |
Пожелтение нижних бобов |
|
|
Отвальная |
|
|||
|
Контроль |
8,4 |
1,3 |
0,9 |
|
|
Гербициды |
15,5 |
1,3 |
5,0 |
|
|
Гербициды + инсектициды |
19,1 |
1,4 |
2,7 |
|
|
Гербициды + инсектициды + удобрения |
19,4 |
3,4 |
5,4 |
|
|
Комбинированная |
|
|||
|
Контроль |
7,1 |
0,7 |
2,7 |
|
|
Гербициды |
9,3 |
2,9 |
4,7 |
|
|
Гербициды + инсектициды |
9,2 |
2,3 |
4,2 |
|
|
Гербициды + инсектициды + удобрения |
13,7 |
3,2 |
4,8 |
|
|
No-till |
|
|||
|
Контроль |
17,3 |
1,4 |
2,2 |
|
|
Гербициды |
17,1 |
3,1 |
1,8 |
|
|
Гербициды + инсектициды |
24,7 |
2,7 |
2,4 |
|
|
Гербициды + инсектициды + удобрения |
17,9 |
2,2 |
4,4 |
|
Примечание: НСР05А = 2,6; НСР05В = 3,0; НСР05АВ = 5,2.
Обеспеченность лугово-черноземной почвы контрольных вариантов подвижным фосфором в период бутонизации была на уровне слабой и средней (5,8–11,1 мг/кг почвы). Применение средств комплексной химизации увеличивало содержание Р2О5 в почве практически в 4 и более раз в вариантах со всеми изучаемыми обработками почвы. Коллегами из Новосибирска установлено, что при минимизации обработки в поверхностном слое почвы увеличивается содержание подвижного фосфора, это связано с аккумуляцией растительных остатков и деятельностью микроорганизмов [19].
По вариантам опыта в течение вегетации прослеживалась тенденция увеличения подвижного фосфора на удобренном фоне в несколько раз в сравнении с контролем. Существенных изменений содержания фосфора в динамике не наблюдалось (табл. 4).
Таблица 4
Содержание подвижного фосфора в почве под посевом гороха в зависимости
от системы обработки и средств химизации (слой 0–20 см, 2022–2023 гг.), мг/кг
|
Вариант |
Бутонизация |
Конец цветения |
Пожелтение нижних бобов |
|
Отвальная |
|||
|
Контроль |
5,8 |
7,7 |
6,8 |
|
Гербициды |
6,7 |
7,9 |
7,6 |
|
Гербициды + инсектициды |
31,6 |
23,1 |
19,5 |
|
Гербициды + инсектициды + удобрения |
44,4 |
40,2 |
40,9 |
|
Комбинированная |
|||
|
Контроль |
6,5 |
5,6 |
6,3 |
|
Гербициды |
21,6 |
6,5 |
7,7 |
|
Гербициды + инсектициды |
39,4 |
39,8 |
25,1 |
|
Гербициды + инсектициды + удобрения |
30,1 |
41,5 |
47,9 |
|
No-till |
|||
|
Контроль |
11,1 |
6,6 |
9,3 |
|
Гербициды |
12,1 |
10,3 |
10,9 |
|
Гербициды + инсектициды |
58,8 |
29,6 |
48,6 |
|
Гербициды + инсектициды + удобрения |
59,3 |
59,5 |
69,6 |
Примечание: НСР05А = 5,6; НСР05В = 6,4; НСР05АВ = 11,1.
Заключение. Многолетняя минимизация обработки лугово-черноземной почвы способствовала накоплению растительных остатков в поверхностных слоях, что оказало определяющее влияние на ее биологические и агрохимические свойства.
- При применении средств комплексной химизации в сочетании с No-till технологией обработки почвы увеличивалась активность бактерий, способных фиксировать атмосферный азот, на 34 %, сапротрофных и амилолитических микроорганизмов на 13 и 17 % по отношению к контролю соответственно.
- Общая численность почвенной микрофлоры пахотного слоя при различных системах обработки почвы под горохом без применения средств комплексной химизации составляла 51,4–61,2 млн КОЕ/г. Использование гербицидов и средств комплексной химизации стимулировало рост общей численности микрофлоры в вариантах с No-till технологией на 22 и 18 % по отношению к контролю соответственно. При отвальной и комбинированной обработках применение удобрений в сочетании с пестицидами не оказало существенного влияния на количество определяемой почвенной микрофлоры.
- В вариантах с применением комплексной химизации независимо от технологии возделывания гороха наблюдалось снижение активности фермента каталаза до 28 % относительно контроля.
- Применение средств химизации под горох (независимо от обработки почвы) существенно повышало содержание азота нитратов в период бутонизации и соответствовало уровню средней обеспеченности, а также подвижной фосфорной кислоты в 4 и более раз.
- При определении суммарной биологической активности почвы под горохом в относительных процентах по методу Ацци в пахотном слое определено, что варианты обработки почвы располагаются в следующем ряду в порядке возрастания: комбинированная < отвальная < No-till.
Таким образом, применение многолетней минимизации обработки почвы способствовало накоплению определенного биологического потенциала, который в конкретных условиях тепло- и влагообеспеченности, отсутствия дефицита азота может быть реализован в урожае зерновых, по величине не уступающем вспашке.
1. Agro`ekologicheskie osobennosti vozdelyva-niya yachmenya v lesostepi Zapadnoj Sibiri / L.V. Yushkevich [i dr.] // Plodorodie. 2019. № 4 (109). S. 42–46.
2. Makarov A.R., Cherepanov M.E., Yushke-vich L.V. Resursy pochvennoj vlagi v zasush-livom zemledelii Zapadnoj Sibiri. M.: Rosagro-promizdat, 1992. 146 s.
3. Galstyan A.Sh. Unifikaciya metodov opredele-niya aktivnosti fermentov pochv // Pochvo-vedenie. 1978. № 2. S. 107–113.
4. Shuliko N.N., Timohin A.Yu., Tukmacheva E.V. `Ekologicheskoe sostoyanie lugovo-cherno¬zemnoj pochvy pri dlitel'nom oroshenii // Vest¬nik Ul'yanovskoj gosudarstvennoj sel'skoho¬zyajstvennoj akademii. 2021. № 3 (55). S. 79–85. DOI:https://doi.org/10.18286/1816-4501-2021-3-79-85.
5. Optimizaciya obrabotki pochvy i primeneniya sredstv himizacii pri vozdelyvanii vtoroj pshe-nicy posle para v yuzhnoj lesostepi Zapadnoj Sibiri / L.V. Yushkevich [i dr.] // Dostizheniya nauki i tehniki APK. 2013. № 9. S. 20–22.
6. Mavlenko A.N., Hamova O.F., Yushkevich L.V. Plodorodie lugovo-chernozemnoj pochvy i urozhajnost' yarovoj pshenicy pri resurso-sberegayuschej kombinirovannoj obrabotke // Plodorodie. 2010. № 5 (56). S. 21–23.
7. Vliyanie sredstv intensifikacii predshestvennika na chislennost' i taksonomicheskij sostav vreditelej yarovoj pshenicy / V.V. Keler [i dr.] // Vestnik KrasGAU. 2023. № 3 (192). S. 3–11. DOI:https://doi.org/10.36718/1819-4036-2023-3-3-11.
8. Saetgalieva G.`E. Fermentativnaya aktivnost' pochvy kak pokazatel' ee plodorodiya // Izme-nenie pochv v processe ih okul'turivaniya // Molodoj uchenyj. 2014. № 2. S. 277–278.
9. Rezul'taty ocenki kachestva zerna linij goroha konkursnogo sortoispytaniya v FGBNU «Omskij ANC» / L.V. Omel'yanyuk [i dr.] // Zernobobo¬vye i krupyanye kul'tury. 2019. № 2 (30). S. 36–42. DOI: 10.24411/ 2309-348X-2019-11085.
10. Mischenko L.N. Pochvy Omskoj oblasti i ih sel'skohozyajstvennoe ispol'zovanie. Omsk, 1991. 105 s.
11. Tepper E.Z., Shil'nikov V.K. Praktikum po mikrobiologii: ucheb. posobie dlya vuzov / pod red. V.K. Shil'nikovoj. 5-e izd., pererab. i dop. M.: Drofa, 2004. 256 s.
12. Haziev F.H. Metody pochvennoj `enzimologii. M.: Nauka, 2005. 252 s.
13. Karyagina L.A. Mikrobiologicheskie osnovy povysheniya plodorodiya pochv. Minsk: Nauka i tehnika, 1983. 181 s.
14. Agrohimicheskie metody issledovaniya pochv. M.: Nauka, 1975. 655 s.
15. Dospehov B.A. Metodika polevogo opyta (s osnovami statisticheskoj obrabotki rezul'ta-tov issledovanij). M.: Agropromizdat, 1985. 331 s.
16. Zvyagincev D.G., Bab'eva I.P., Zenova G.M. Biologiya pochv. M.: MGU, 2005. 445 s.
17. Gamzikov G.P. Agrohimiya azota v agroceno-zah. Novosibirsk: RASHN, Sib. otd-nie, 2013. 790 s.
18. Shamraj L.A. Vliyanie mnogoletnego primene-niya udobrenij v sevooborotah na fosfornyj rezhim pochvy v sevooborote // Agrohimiya. 1991. № 2. S. 15–21.
19. Sineschekov V.E., Tkachenko G.I. Vliyanie minimizacii osnovnoj obrabotki pochvy na azotnyj rezhim chernozema vyschelochenno¬go i produktivnost' yarovoj pshenicy v zerno-parovom sevooborote // Agrohimiya. 2016. № 1. S. 59–64.
