Введение к работе
Актуальность проблемы. Сельскохозяйственное производство должно обеспечивать сохранение и улучшение плодородия почвы, стабильность и надежность функционирования агроэкосистемы, конкурентоспособность земледелия и охрану окружающей среды. Однако в связи со значительным сокращением объемов внесения органических и минеральных удобрений, в условиях остро дефицитного баланса элементов питания в системах удобрения, важнейшая функция земледелия – сохранение плодородия почвы – перестала выполняться. В исследованиях последних лет отмечается повсеместная устойчивая тенденция к деградации плодородия и ухудшению экологических показателей агроэкосистем, что сопровождается снижением продуктивности пашни (Ефимов В.Н. и др., 2001; Лыков А.М. и др., 2001; Никитишен В.И., 2002).
В настоящее время признана необходимость всемерной биологизации сельскохозяйственного производства и восстановления плодородия почвы с помощью возобновляемых ресурсов. Стабилизирующим звеном в биологизации земледелия являются бобовые культуры, в том числе люпин.
Люпин в севооборотах занимает особое место, так как имеет самый экологически чистый и энергосберегающий механизм накопления азота за счет симбиоза с клубеньковыми бактериями (Rhizobium lupine). Благодаря работе этой системы люпин усваивает за вегетацию от 150 до 300 кг/га азота воздуха (N2) и превращает его в аммиачный азот, доступный для растений (Алексеев Е.К., 1959; Саввичев К.И., 1961). Это позволяет сократить дефицит азота, свойственный почвам Нечерноземной зоны РФ.
Это ценное свойство сочетается с другим, не менее ценным, - обогащением почвы органическим веществом от обильной биомассы и растительных остатков люпина. При запашке на сидерацию в почву поступает 7-10 т/га сухой биомассы, содержащей до 400-500 кг элементов питания. С пожнивно-корневыми остатками в почве остается около 50% от того количества, который формируется с урожаем люпина (Новиков М.Н., 1997; Анисимова Т.Ю., 2002). Обогащение почвы легкоразлагаемым органическим веществом с узким соотношением С:N активизирует жизнедеятельность почвенной микробиоты и улучшает ее качественный состав (Возняковская Ю.М. и др., 1991).
С самого начала исследований по люпину большая часть работ выполнялась на подзолистых и дерново-подзолистых почвах (Прянишников Д.Н., Алексеев Е.К., Стрелков И.Г., Духанин А.А. и др.). На серых лесных почвах, особенно в разрезе севооборотов, таких работ недостаточно.
Установление основных закономерностей в характере изменения плодородия серой лесной почвы в условиях дефицита в системе удобрения органического вещества и элементов питания, значение люпина как агента биологического восстановления круговорота основных биогенных элементов в полевых севооборотах, а также обоснование роли люпина в повышении продуктивности и энергосбережения в агроэкосистемах является актуальной задачей экологически ориентированного земледелия.
Исследования по изучению люпина, имеющего многоуровневый тип использования, для выяснения таких вопросов, как параметры пролонгированного действия в севообороте, степень влияния на плодородие почвы, продуктивность севооборотов и культур, возделываемых в них, энергетический потенциал почвы и растений важны как с теоретических позиций, так и в практическом плане.
Цель исследований: выявление адаптивного потенциала люпина при возделывании на серых лесных почвах в севооборотах с неодинаковой долей его в структуре и различных способах использования, определение параметров и направленности процессов трансформации органического углерода и питательных веществ в пахотном слое, влияние на балансы гумуса и элементов питания, продуктивность севооборотов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
определение объемов накопления сырой и сухой биомассы желтым и узколистным люпином в сидеральном и занятом парах, соломы и стерне-корневых остатков обоих видов при возделывании на семена;
определение химического вещества надземной и подземной частей растений люпина, накопление элементов питания в удобрительной и товарной частях урожая;
скорость разложения в серой лесной почве биомассы и пожнивно-корневых остатков люпина;
изучение состояния плодородия пахотного слоя и трансформационные изменения в гумусе, баланса органического вещества и энергетического потенциала почвы;
направленность изменений, происходящих в азотном, фосфорном, калийном режимах почвы, параметрах кислотно-основных свойств в севооборотах с люпином различного использования;
определение размеров выноса и баланса элементов питания;
изучение сравнительной эффективности севооборотов с сидеральным и занятым паром, зерновых с долей люпина 20-50% по продуктивности и урожайности, качеству и химическому составу культур;
оценка экономической и энергетической эффективности возделывания люпина в звеньях севооборотов с сидеральным и занятым паром и люпином на семена.
Научная новизна. Впервые на серых лесных почвах юга Центральной России в длительном стационарном опыте проведено всестороннее изучение влияния люпина, возделываемого в севообороте на сидерацию, семена и зеленый корм, на продуктивность севооборотов, воспроизводство плодородия почвы и энергосбережение.
Впервые установлена направленность трансформационных процессов, происходящих в гумусе, азотном, фосфорном и калийном фондах, в кислотно-основных свойствах ППК и обосновано воздействие люпина при различных способах применения на плодородие серой лесной почвы.
Впервые показано, что сидерация, при постоянном повторении приема в рамках севооборота, способна обеспечить расширенное воспроизводство плодородия почвы, что доказано не только балансом органического вещества, но и параметрами энергетического потенциала почвы.
Доказано, что люпин на сидерацию, улучшая составляющие продукционного процесса, обеспечивает получение высокого урожая с хорошим качеством зерна последующей культуры – озимой пшеницы. Биологический азот люпина способствует ограничению доз азота для последующей культуры, а для люпина – полного его исключения.
Впервые комплексно оценена экономическая и биоэнергетическая составляющая севооборотов с люпином на семена, сидерацию и зеленый корм, установлены энерго- и ресурсосберегающие компоненты сидерации и семенного выращивания люпина.
Защищаемые положения:
1. Особенности накопления биомассы и элементов питания желтым и узколистным люпинами при выращивании на сидерацию, зеленый корм и семена;
2. Скорость минерализации биомассы и пожнивно-корневых остатков узколистного люпина в серой лесной почве;
3. Различия во влиянии сидерации и пожнивно-корневых остатков люпина на параметры плодородия пахотного слоя серой лесной почвы: содержание и качество гумуса, азотный, фосфорный и калийный режимы, кислотно-основные свойства.
4. Продуктивность севооборотов и урожайность культур в них в зависимости от количества и качества растительных остатков люпина;
5. Химический состав и качество урожая культур севооборота.
6. Балансы гумуса и основных элементов питания.
7. Биоэнергетическая и экономическая оценка севооборотов с различным целевым назначением люпина.
Практическая значимость. На основе проведенных исследований рекомендуется предприятиям аграрного сектора, в условиях дефицита органических и минеральных удобрений, включать в полевые севообороты люпин на семена, сидерацию и зеленый корм. На серых лесных почвах люпин, как фактор биологизации земледелия, позволит как минимум поддерживать плодородие почвы, а при повторении приема сидерации в динамике – приблизиться к расширенному его воспроизводству.
Использование люпина для запашки на удобрение – малозатратный, ресурсо- и энергосберегающий прием. Сидерация способствует более эффективному использованию ФАР и повышает коэффициент энергетической эффективности в агроэкосистеме. Научно обоснованная доля люпина в общей структуре севооборота должна составлять от 25 до 40%.
Производству рекомендуется выращивание люпина как экономически эффективного предшественника озимых и яровых колосовых культур. Так, размещение по люпину озимой и яровой пшеницы позволяет получать 3,5-5,0 т/га зерна с высоким содержанием сырого протеина и клейковины при снижении на дозы минерального азота. Установлено, что после люпина зерновые культуры, удобряемые только фосфором и калием, дают такие же прибавки, как и по полному (NPK) удобрению.
На серых лесных почвах нецелесообразно вносить минеральные удобрения непосредственно под люпин.
В период выполнения экспериментальной работы проводилась производственная проверка в сельскохозяйственных предприятиях Брянского района.
Результаты исследований внедрены автором в хозяйствах Брянского и Карачевского районов на площади 8500 гектаров.
Апробация результатов исследования и публикации. Основные результаты исследований были доложены на: Международной научно-практической конференции ВНИИ люпина «Состояние и перспективы развития люпиносеяния в ХХI веке» (Брянск, 2001); Международной научной конференции МСХА им. К.А. Тимирязева «Севооборот в современном земледелии» (Москва, 2004); Международной научно-практической конференции ВНИПТИОУ «Агрохимические проблемы биологической интенсификации земледелия» (Владимир, 2005); Международной научно-практической конференции ВНИИ люпина «Научное обеспечение люпиносеяния в России» (Брянск, 2005); Международной научно-практической конференции БГСХА «Памяти М.К. Каюмова» (Брянск, 2007); на 16-й Всероссийской школе ИФХ и БПП РАН «Экология и почвы» (Пущино, 2009); на координационных совещаниях ВНИПТИОУ по заданию 07 «Разработать научные основы биологизации земледелия на базе высокоэффективных, экономически безопасных технологий, производства и использования органических удобрений и биоресурсов» (Владимир, 1999, 2001, 2003); на региональных научно-практических конференциях – ярмарках (Брянск, 2000, 2001). Материалы исследований ежегодно докладывались на Ученом совете Всероссийского научно-исследовательского института люпина.
Результаты диссертационной работы отражены в 36 печатных работах в научных и научно-производственных журналах, сборниках и научных трудах, в том числе 10 – в периодических научных изданиях перечня ВАК.
Личный вклад автора. Личное участие автора заключается в разработке научной гипотезы и алгоритма исследований для второго периода опыта. В течение 8 лет, при его непосредственном участии проведены полевые и лабораторные опыты (80%), анализ и интерпретация эмпирических результатов, проведение статистической, экономической и энергетической оценки результатов исследований, формирование новых закономерностей, выводов и рекомендаций производству. Часть материала получена при совместной работе с сотрудниками отдела земледелия ВНИИ люпина (1988-1995 гг.).
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 7 глав, заключения, выводов и предложений производству, списка литературы, включающего 393 источника, в том числе 50 зарубежных авторов. Диссертация изложена на 319 страницах компьютерного текста, включает 57 таблиц, 12 рисунков и 23 приложения.
Автор выражает искреннюю признательность за ценные советы и замечания при подготовке работы научному консультанту доктору сельскохозяйственных наук, профессору Н.М. Белоусу, заведующей отделом земледелия ГНУ ВНИИ люпина в 1987-1995 гг. доктору сельскохозяйственных наук Л.Л. Яговенко, руководителю группы информатики ГНУ ВНИИ люпина канд.с.-х. наук Н.В. Мисниковой, сотрудникам отдела земледелия ГНУ ВНИИ люпина.
