Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Роль сидерации и полевых культур в накоплении и трансформации органического вещества 10
1.1 Роль пожнивно-корневых остатков в оптимизации питания растений 10
1.2 Использование сидератов и соломы на удобрение как способ сохранения плодородия почвы и увеличения продуктивности севооборота 15
1.3. Факторы, влияющие на накопление, перераспределение и трансформацию органического вещества 20
1.4. Активность микробной биомассы и факторы, влияющие на неё 26
Глава 2. Объекты, условия и методика проведения эксперимента 33
2.1 Характеристика объектов исследования 33
2.2 Методика исследований 33
2.3. Климатические и агрометеорологические условия проведения экспериментов 2011-2014 гг 35
2.4. Особенности технологий возделывания полевых культур 39
2.4.1 Агротехника возделывания ячменя 39
2.4.2 Агротехника возделывания вико-овса 40
2.4.3. Агротехника возделывания озимой пшеницы и горчицы 40
2.4.4 Агротехника возделывания картофеля 41
Глава 3. Роль полевых культур в обогащении почвы органическим веществом и биофильными элементами 42
3.1 Изменение количественных и качественных характеристик поступающих в почву органических веществ 42
3.2 Поступление и закрепление органического углерода и азота в почве 51
3.3 Динамика изменения содержания органического вещества при разноглубинной заделке сидерата и соломы 57
Глава 4. Действие и последействие двойной дозы азотной подкормки на накопление органического вещества и закрепление элементов питания 61
Глава 5. Динамика изменения интенсивности жизнедеятельности микробного сообщества 66
5.1 Влияние естественных и антропогенных факторов на интенсивность и устойчивость микробного ценоза почвы 66
5.2 Взаимосвязь активности почвенной микробиоты с запасами органического вещества, температурой и влажностью пахотного слоя почвы 77
Глава 6. Урожайность полевых культур и продуктивность зернопропашного севооборота 85
Глава 7. Экономическая эффективность разных по интенсивности технологий возделывания полевых культур 88
Выводы 90
Рекомендации производству 93
Список литературы 94
- Использование сидератов и соломы на удобрение как способ сохранения плодородия почвы и увеличения продуктивности севооборота
- Климатические и агрометеорологические условия проведения экспериментов 2011-2014 гг
- Поступление и закрепление органического углерода и азота в почве
- Взаимосвязь активности почвенной микробиоты с запасами органического вещества, температурой и влажностью пахотного слоя почвы
Введение к работе
Актуальность исследований Отчуждение с урожаем основной части запасов
элементов питания почвы при несбалансированном применении удобрений с учетом
их выноса возделываемыми культурами приводит к снижению не
только эффективного, но и потенциального плодородия почвы, ухудшению биоэкологического состояния агроландшафтов (Матюк Н.С. и др., 2013).
Для предотвращения дальнейшей деградации почвенного покрова за счет снижения плодородия, необходимо обеспечить бездефицитный баланс содержания органического вещества. Экономически выгодно и экологически безопасно это возможно осуществить на основе биологизации земледелия: использования соломы на удобрения, освоения плодосменных севооборотов, возделывания промежуточных культур на сидерацию (Лыков А.М. и др., 2004).
Для сохранения естественного и достижения расширенного воспроизводства почвенного плодородия, обеспечивающего стабильный рост урожайности сельскохозяйственных культур, прежде всего, необходимо внесение в той или иной форме органических удобрений. Только они могут компенсировать потери органического вещества, связанные с его минерализацией и отчуждением с основной и побочной продукцией. Обогащение почвы органикой приводит также к активизации деятельности почвенной мезофауны и микроорганизмов, участвующих в процессах ее превращения, определяя направленность процессов поддержания и формирования гумусового баланса (Лошаков В.Г., 1997).
Степень разработанности темы исследований. В стабилизации биологических показателей плодородия почвы и продуктивности различных агробиоценозов важную роль играет активность микробного сообщества, которая определяется его численностью и биоразнообразием, а также количеством источников питания, агрометеорологическими факторами и непосредственным воздействием на почву антропогенных энергетических субсидий (Звягинцев Д.Г., 1987; Аристовская Т.В., 1988; Овсянников Ю.А., 2000; Лыков А.М. и др., 2004).
Приемы обработки почвы, различающиеся по глубине, способу и интенсивности воздействия рабочих органов на обрабатываемый слой, улучшая водно-воздушные свойства и тепловой режим, повышают позиционную доступность элементов питания, поступивших с минеральными удобрениями, пожнивно-корневыми остатками
возделываемых культур, соломой зерновых и сидератом, что оптимизирует условия жизнедеятельности микроорганизмов, изменяет направленность биохимических процессов их превращения в сторону гумосонакопления (Матюк Н.С. и др., 2015).
Цель исследований. Изучить динамику изменения количественных и качественных параметров накопления и трансформации органических веществ с участием микробного сообщества, а также поступления и аккумуляции органического углерода и биофильных элементов при разноглубинной заделке соломы, ботвы, пожнивно-корневых остатков и сидерата в зернопропашном севообороте.
Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
1. Оценить роль отдельных культур зернопропашного севооборота в
обогащении почвы органическим веществом и элементами питания за счет
пожнивно-корневых остатков, побочной продукции зерновых и картофеля, а также
биомассы пожнивного сидерата.
-
Изучить роль пожнивного сидерата в использовании азотных соединений позднелетней подкормки озимой пшеницы, биологическом закреплении биофильных элементов и предотвращении их вымывания в нижележащие слои при весеннем снеготаянии.
-
Установить взаимосвязь содержания гумуса с массой и интенсивностью разложения поступающей в почву органики, скоростью протекания биохимических процессов их превращения по выделению СО2 и накоплению углерода микробной биомассы при разноглубинной заделке соломы и пожнивного сидерата в различных агробиоценозах зернопропашного севооборота.
-
Изучить динамику изменения доли углерода микробной биомассы в общем органическом углероде дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы и провести сравнительную оценку сезонной устойчивости микробного сообщества полевых агробиоценозов и естественных экосистем.
-
Определить общую продуктивность зернопропашного севооборота и дать экономическую оценку эффективности приемов разноглубинной заделки пожнивного сидерата и соломы.
Научная новизна. Впервые в условиях Центрального района
Нечерноземной зоны определены закономерности изменения количественных и качественных параметров накопления и трансформации органических веществ, а
также поступления и аккумуляции биофильных элементов при разноглубинной заделке пожнивного сидерата и соломы в зернопропашном севообороте.
Установлена эффективность действия и последействия летней азотной подкормки озимой пшеницы в увеличении урожайности пожнивного сидерата, массы пожнивно-корневых остатков и побочной продукции зерновых и картофеля, что сужает разомкнутость круговорота биофильных элементов и повышает общую продуктивность и экологическую устойчивость функционирующих агроэкосистем.
Теоретическая и практическая значимость. В Центральном районе Нечерноземной зоны в зернопропашном севообороте на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве стабилизация гумусового состояния и оптимизация условий жизнедеятельности микробного сообщества достигается за счет обогащения почвы органическим веществом в виде пожнивно-корневых остатков, соломы зерновых и ботвы картофеля, а также возделывания пожнивного сидерата горчицы белой, что позволяет эффективно использовать излишки азота от летних подкормок озимой пшеницы за счет его вовлечения в биологический круговорот и закрепления в пахотном слое в форме органических соединений, препятствуя его вымыванию в нижележащие горизонты при весеннем снеготаянии. Разноглубинная заделка соломы и пожнивного сидерата в сочетании с внесением расчетных на планируемую урожайность доз минеральных удобрений стабилизирует содержание гумуса на уровне 3,0 % и обеспечивает урожайность озимой пшеницы более 5,5 т/га, ячменя – 3,5 т/га, картофеля – 25 т/га и однолетних трав на сено более 4,5 т/га.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Оценка роли культур зернопропашного севооборота и доли отдельных компонентов: пожнивные остатки, корневая система, побочная продукция, сидераты в обогащении почвы органическим веществом.
-
Роль пожнивного сидерата в закреплении не использованных озимой пшеницей азотных соединений летней подкормки и предотвращении миграции биофильных элементов по профилю почвы при весеннем снеготаянии.
3. Взаимосвязь динамики изменения содержания углерода и запасов гумуса с
массой и химическим составом органических веществ при разных способах и
глубине их заделки, а также с долей углерода микробной биомассы в общем
органическом углероде.
4. Сравнительная оценка устойчивости агробиоценозов и природных
экосистем на разных этапах их функционирования.
5. Результаты экономической оценки разноглубинной заделки сидерата и
соломы в зернопропашном севообороте.
Степень достоверности результатов. Диссертация является завершенной научной работой, в которой основные результаты за 2011-2014 годы принадлежат лично автору. Статистическая обработка данных производилась с помощью программы Statistica, приведенные доверительные интервалы рассчитаны с 5 % уровнем значимости.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на Международной научной конференции, посвященной 150-летию со дня рождения академика В.Р. Вильямса, Москва, ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, 2013 г.; Международной научно-практической конференции молодых ученых и студентов «Научный вклад молодых исследователей в инновационное развитие АПК», Санкт-Петербург, ФГБОУ ВО СПбГАУ, 2014 г.; Международной научной конференции «Научное и кадровое обеспечение продовольственной безопасности России», Москва, ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, 2014 г.; Международной научной конференции молодых ученых и специалистов, посвященной созданию объединенного аграрного вуза в Москве, Москва, ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, 2015 г.; Международной конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 150-летию РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, Москва, ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, 2015 г.; Международной научной конференции, посвященной 80-летию со дня основания Карельской государственной сельскохозяйственной опытной станции, Петрозаводск, ФГБНУ «Карельская ГСХОС», 2015 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объм работы. Диссертационная работа изложена на 113 страницах компьютерного текста, состоит из введения, 7 глав, выводов, рекомендаций производству, библиографического списка, содержит 19 таблиц, 34 рисунка, список используемой литературы включает 202 источника, в том числе 32 на иностранных языках.
Благодарности. Автор выражает глубокую и искреннюю признательность научному руководителю, профессору Матюку Н.С. за квалифицированное руководство, методическую помощь в проведении исследований и подготовке диссертации; коллективу кафедры земледелия и методики опытного дела; сотрудникам кафедры микробиологии и иммунологии, Селицкой О.В. за помощь в проведении исследований; Зверевой С.С. за ценные и полезные советы, усиливающие диссертационную работу.
Использование сидератов и соломы на удобрение как способ сохранения плодородия почвы и увеличения продуктивности севооборота
Агрономические экосистемы отличаются от природных тем, что в процессе их функционирования происходит вынос элементов питания с полученной продукцией, что отрицательно влияет на продуктивность системы в будущем (Волощук А.Т., 2004; Лыков А.М., 2004).
При получении продукции растениеводства из агроэкосистемы изымается с урожаем зерновых и однолетних трав до 65 % всей созданной фотосинтезом биомассы, с урожаем кукурузы до 73%, сеном многолетних трав до 50%. В отчуждаемой массе зерновых около половины – побочная продукция (солома, мякина, отруби) которая может и должна вернуться обратно в агроэкосистему в виде органических остатков (Волощук А.Т., 2004; Сафонов А.Ф. и др., 2006; Новиков А.А. и др., 2012).
Максимальный генетически обусловленный урожай даже на высокоокультуренных почвах, формируется при соблюдении основного закона земледелия – закона возврата источников энергии и вещества, когда в полной мере удовлетворяет потребность растений в питательных веществах, при своевременном и качественном проведении агротехнических мероприятий для возделываемой культуры (Сигаркин С.С. и др., 1973; Милащенко Н.З., 1984).
Для повышения адаптационного потенциала агроэкосистем необходимо разработать системы удобрений, включающие в себя максимально рациональное использование побочной продукции и пожнивно-корневых остатков (Усков И.Б., 2008; Сычев В.Г. и др., 2013). С биомассой разных культур, по данным Ф. И. Левина (1972 г.), от общего количества в урожае в почву возвращается от 27-60,5 % азота , 18,5-51,7 % фосфора, 16,7-48,1 % калия, 27,6-54 % кальция. С каждой тонной соломы в почву возвращается 8,5 кг азота, 3,8 фосфора, 13 калия, 4,2 кальция, 0,7 кг магния и ряд микроэлементов, которые накапливаются в соломе в большей степени, чем в зерне (железа от 10 до 30 г/т, марганца от 15 до 70, меди от 2 до 5, цинка от 20 до 50, молибдена от 0,2 до 0,4, бора от 2 до 5 г/т) (Сергеев Г.Я. и др., 2006). По количеству азота, который поступает с растительными остатками, полевые культуры располагаются в следующем возрастающем порядке: картофель кукуруза зерновые однолетние травы многолетние бобовые травы. При не возмещении органическими удобрениями вынесенной урожаем части органического вещества происходит замедление процессов почвообразования (Сафонов А.Ф. и др., 2002; Сорокин И.Б. и др., 2008; Ширинян М.Х. и др., 2008).
Дефицит органического вещества и ухудшение его качества способствует падению не только агрохимических и агрофизических, но и биологических свойств почвы, что в свою очередь ухудшает экологическое состояние и снижает почвенное плодородие (Зинченко М.К. и др., 2014).
Биомасса органического вещества, поступающая в почву после той или иной культуры, влияет на образование гумуса, фитосанитарное состояние почвы, а элементы питания из растительных остатков сельскохозяйственные культуры могут использовать намного эффективнее, чем из минеральных удобрений (Мишина И.Ю. и др., 1985).
От качества и количества растительного материала, энергии и характера его разложения зависят агрофизические свойства почв, но в большой мере изменяется режим минерального питания последующих культур (Прянишников Д.Н., 1965; Воробьев С.А., 1979; Щербаков А.П., 1983; Шикула Н.К. и др., 1991; Лошаков В.Г., 1992; Кислов А.В. и др., 2004; Кирюшин В.И., 2011).
Опад, корневую массу, послеуборочные остатки культурных растений по увеличению количества органического вещества, поступающего в почву, можно расположить в виде следующего ряда (Кирюшин В.И., 1996): лен-долгунец – картофель – кормовая и сахарная свекла – зернобобовые – яровые зерновые – озимые зерновые – кукуруза на силос – многолетние травы.
Масса пожнивно-корневых остатков многолетних трав в зависимости от урожая и условий возделывания достигает 4,7-7,5 т/га и выше (Новиков А.А. и др., 2012), а пшеницы – 2 т/га сухой органики, с которой поступает 8 кг/га азота, 4 фосфора и 19 кг/га калия (Анисимова Т.Ю., 2002). Масса корневой системы, накопленной в период вегетации, зависит от плотности сложения пахотного слоя, которая может изменяться под влиянием приемов основной обработки почвы. У озимой ржи, ярового ячменя и овса высокая масса корней формируется в агроэкосистемах с ежегодной отвальной вспашкой на глубину 20-22 см, а у яровой пшеницы – с ежегодной отвальной вспашкой и плоскорезной обработкой на ту же глубину. В вариантах с обработкой на 6-8 см накопление корневой массы было минимальное и не зависело от глубины предшествующей основной обработки (Зинченко С.И., 2016).
Количество и качество органического вещества, поступающего в почву от растений одного и того же вида, но выращенных по различным предшественникам, сильно варьирует (Нарциссов В.П., 1982): озимая пшеница при урожае 26,0 ц/га накапливала 40,5 ц/га корней в слое 0 - 40 см, а пожнивных остатков – 6,3 ц/га, яровая пшеница при урожае 10,2 ц/га соответственно 27,8 и 1,5 ц/га, овес при урожайности зерна 21,4 ц/га соответственно 33,7 и 3,8 ц/га.
С увеличением урожайности увеличивается количество растительных остатков, но уменьшается их доля в общей биомассе. Так при урожайности зерновых 1,0-1,5 т/га количество растительных остатков озимых составляет 2,3 т/га, яровых 1,8 т/га, а при урожайности 3-4 т/га соответственно 4,5 и 3,5 т/га. Установлено, что перед уборкой сельскохозяйственных культур масса органического вещества пожнивно-корневых остатков меньше образованной ими в течение вегетации (Новиков А.А. и др., 2012).
На массу органического вещества, поступающего в почву с побочной продукцией и растительными остатками, различное влияние оказывают почвенно-климатические условия, технологии возделывания, биологические особенности сельскохозяйственных культур. Отмечено большее накопление биомассы корневых остатков в общей массе растений в районах с засушливым климатом (Кирюшин В.И., 1996, 2000).
Климатические и агрометеорологические условия проведения экспериментов 2011-2014 гг
Климат Московской области умерено-континентальный, характеризуется теплым летом и умеренно холодной зимой с устойчивым снежным покровом.
Московская область относится к зоне достаточного увлажнения. Годовая сумма осадков в среднем 550-660 мм. Основная масса осадков приходится на летний период, когда ежемесячная норма достигает 70-80 мм. Следовательно, наибольшее количество осадков совпадает с периодом высоких температур воздуха, с интенсивным развитием растений, то есть с максимальным расходом влаги, коэффициент увлажнения в теплое время (с апреля по сентябрь) меньше 1, затем быстро увеличивается. Две трети осадков выпадает в виде дождя, одна треть - в виде снега. Летняя засуха бывает один раз в 20 лет, а избыточное выпадение осадков один раз в 10 лет. Ветровой режим области характеризуется преобладанием северо-западных, западных и северных ветров в теплый период (май - сентябрь) и юго-западных, южных и западных - в холодный.
Тепло и влага - основные климатические факторы, определяющие условия роста и развития сельскохозяйственных культур. Показателем теплообеспеченности вегетационного периода может служить сумма положительных среднесуточных температур воздуха за период активной вегетации растений, то есть за период со среднесуточной температурой выше 10С. Эта сумма на территории Московской области составляет в среднем 2000С.
Вегетационный период 2011 г. характеризовался повышенными температурами (12,3-25,5 0С), вполне благоприятными для ячменя, так как это самая скороспелая и засухоустойчивая культура среди хлебов 1 группы, хорошо переносящая жару и плохо избыточное переувлажнение (рисунок 3). В период от посева и до выхода в трубку количество выпавших осадков составляло 15-60 % от среднемноголетних, но достаточный запас воды в снеге обеспечивал оптимальную влажность для прорастания семян ячменя. Всходы появились на 7 день после посева и были выявлены по всем исследуемым вариантам. Наибольшее потребление воды культурой приходится на фазы выхода в трубку и колошения. Трубкование проходило при достаточной влагообеспеченности посевов. В период колошения и цветения ячменя количество осадков было близким или несколько превышало среднемноголетние показатели, а созревание проходило при оптимальном увлажнении.
В 2012 г. во время посева и начала вегетации вико-овса метеорологические данные характеризовались повышенными температурами на 3,2 0С и большим количеством выпавших осадков на 28,8 мм относительно среднемноголетних. Высокий температурный режим (13,2-19,0 0С) и большое количество осадков (45,8-30,6 мм) в начале и середине вегетации культур создали оптимальные условия для наращивания вико-овсом зеленой массы. Благодаря грозам и проливным дождям растения лучше переносили высокие температуры. К концу вегетации количество осадков было ниже среднемноголетних. Примечание. Рисунок 3, 4 по наблюдениям Метеорологической обсерватории имени В. А. Михельсона, РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева
При возделывании озимой пшеницы отмечалось незначительное отклонение по температурному режиму от среднемноголетних показателей в июне 2013 года – превышение нормы наблюдалось до 4,0 0С. В июле количество выпавших осадков было выше среднемноголетних на 26 мм. В конце вегетации озимой пшеницы стояла жаркая погода. Это отрицательно сказалось на формировании выполненности зерна озимой пшеницы (рисунок 4).
Температура воздуха в течение периода вегетации как сидеральной культуры в осенний период, так и основной (картофеля) была несколько выше среднемноголетних данных, что обеспечило накопление достаточной массы сидерата, положительное действие которого начало проявляться еще до обработки почвы под картофель. В начале вегетации картофеля температура воздуха и почвы была благоприятна для прорастания клубней (первая декада июня). Рисунок 4. Отклонение осадков и температуры воздуха за вегетационный период 2013, 2014 годов от средних многолетних значений
Картофель требует различную влажность почвы по фазам роста и развития. Для прорастания картофеля достаточно влаги материнского клубня. Поэтому сухая и теплая погода в этот период является наиболее благоприятной для развития картофеля.
Критическим периодом является фаза начала цветения. Для получения хороших урожаев картофеля необходимо, чтобы за вегетацию выпало не менее 300 мм осадков, с преобладанием их в июне-июле и августе. Во второй и третьей декаде июля осадков не наблюдалось. Недостаток влаги пришелся на критический период – фазу цветения, что привело к снижению урожая клубней.
Таким образом, агрометеорологические условия в годы проведения исследований (2011-2014 гг.) были сильно дифференцированы по количеству выпавших осадков и температурному режиму по сравнению со среднемноголетними данными, но эти колебания не оказали существенного влияния на рост, развитие и продуктивность возделываемых культур. 2.4. Особенности технологий возделывания полевых культур Технологии возделывания полевых культур - последовательно проводящиеся агротехнические операции с целью создания благоприятных условий для роста и развития культур, путем устранения лимитирующих урожайность регулируемых факторов. Для этого используются материально технические средства - производственные ресурсы.
В опыте изучались обработки почвы разной степени интенсивности: отвальная – вспашка на 20-22, ранневесеннее боронование, предпосевная культивация на 6-8 см под культуры сплошного сева, фрезерная предпосадочная обработка под картофель, минимальная – дискование на 10-12 см под ячмень и фрезерование на 14-16 см под картофель, прямой посев однолетних трав и озимой пшеницы, а также эффективность одинарной (N70) и двойной (N70+70) дозы азотной подкормки озимой пшеницы.
Поступление и закрепление органического углерода и азота в почве
В сумме за ротацию севооборота со всеми компонентами органического вещества в почву поступает 9,76 т/га органического углерода и 340,5 кг/га азота. Наибольшее количество органического углерода (4,80 т/га) поступает под картофель после уборки озимой пшеницы с оставлением соломы и возделыванием пожнивного сидерата горчицы белой, а наименьшее количество (1,31 т/га) под озимую пшеницу после уборки однолетних трав. Количество углерода, закрепленного в пахотном слое за ротацию 4-польного севооборота за счет разложения соломы зерновых, ботвы картофеля и других растительных остатков зависело от агрометеорологических условий вегетационного периода, биохимического состава и массы поступивших органических остатков, соотношения C:N, а также способа их размещения в обрабатываемом слое (таблица 12). Условное закрепление углерода в органическом веществе пахотного слоя почвы за ротацию севооборота
Обработка Исходное (т/га), 2007 г. Запасы углерода в почве, т/га Внесено С сорганическимвеществом, т/га Закреплено почвой, % к внесенному
Установлено, что при оставлении соломы на поверхности почвы или ее мелкой заделке минерализация сопровождается выделением значительного количества СО2, что снижает участие поступившего с органическими остатками углерода в формировании гумусовых веществ. Так, если при ежегодной отвальной обработке в пахотном слое почвы закреплялось 35,2 % от поступающего в почву углерода, то при минимальной – 20,4 %, что подтверждается динамикой изменения содержания углерода в пахотном слое почвы под культурами севооборота.
В вариантах поверхностной обработки под ячмень и прямого посева однолетних трав с оставлением соломы яровых зерновых на поверхности поля большая часть поступающего углерода трансформировалась в гумусовые вещества, что увеличивало его запасы в пахотном слое почвы на 4,5 т/га к концу вегетации ячменя и на 8,0 т/га – вико-овсяной смеси. При выращивании озимой пшеницы к концу вегетации отмечается снижение запасов углерода в почве на 8,0 т/га, что связано с малым (1,31 т/га) его поступлением с растительными остатками однолетних трав (рисунок 12). 1 4 - 3 - H Поступление углерода при отвальной обработке Поступление углерода при минимальной обработке Исходное, 2007 Ячмень, 2011 Вико-овес, 2012 Оз. пшеница Картофель, 2014(пожнивный сидерат), 2013 Рисунок 12. Зависимость между поступлением углерода с органическими веществами и его запасами в пахотном слое почвы, т/га
Использование соломы озимой пшеницы и пожнивного сидерата на удобрение под картофель увеличило поступление углерода в почву до 3,8-4,1 т/га, что при интенсивном перемешивании с обрабатываемым слоем 0-16 см фрезерными орудиями в системе предпосадочной обработки ускоряло темпы их разложения, высвобождения и закрепления углерода в органическом веществе почвы, которое стабилизировалось на уровне 45-46 т/га. При отвальной системе обработки процессы разложения органического вещества, поступающего в почву, ускорялись, что сопровождалось более высоким его закреплением в почве и более резкими колебаниями запасов в пахотном слое, которые изменялись от 41,8 т/га в начале ротации до 45,2 т/га в конце. При минимальной обработке размах колебаний составил от 43,7 до 45,8 т/га соответственно.
Внесение соломы в почву и использование пожнивного сидерата резко активизирует деятельность почвенной микрофлоры за счет усиления связывания азота атмосферы азотофиксирующими организмами, что приводит к существенному обогащению пахотного слоя его соединениями (таблица 13).
Взаимосвязь активности почвенной микробиоты с запасами органического вещества, температурой и влажностью пахотного слоя почвы
Дополнительное накопление биологического азота бобовым компонентом однолетних трав и усиление темпов разложения соломы к концу вегетации обеспечивало дополнительную стабилизацию экологического состояния агробиоценоза, что выразилось в снижении значений микробного метаболического коэффициента до 0,13 в вариантах прямого посева и 0,07 на делянках со вспашкой.
В условиях 2013 года была проведена сравнительная оценка экологической устойчивости агроэкосистем (озимая пшеница + пожнивный сидерат) и естественных биоценозов (многолетняя залежь). Расчет микробного метаболического коэффициента для разных этапов функционирования экосистем показал, что в годовом цикле естественные экосистемы более устойчивы к воздействию различных природных стресс – факторов (QR=0,23), чем агроэкосистемы, представленные посевами озимой пшеницы с последующим послеуборочным возделыванием пожнивного сидерата горчицы белой (QR=0,32) (рисунок 23). 0,40
На этапе затухания интенсивной жизнедеятельности микробного сообщества при условии оставления соломы в качестве органического удобрения в дозе более 5,5-6,2 т/га и достижения почвой равновесного состояния устойчивость сравниваемых экосистем была практически одинаковой при коэффициенте 0,18 в агро- и 0,17 в естественной экосистеме. Такая же закономерность сохранялась и на следующий год до предпосадочной обработки почвы под картофель (рисунок 24).
Устойчивость микробного ценоза агроэкосистем на разных этапах их функционирования (картофель), 2014 г. Фрезерная обработка, обеспечивающая интенсивное и равномерное перемешивание почвы с соломой озимой пшеницы и органическими остатками пожнивного сидерата, ускоряла процессы их разложения, что дестабилизировало экологическое состояние агробиоценоза в начальные периоды роста и развития, которое возвратилось к равновесию лишь в фазу максимального накопления биомассы картофелем (бутонизация-цветение), что подтверждается значениями коэффициента, который составил 0,09-0,12.
По мере увядания и отмирания ботвы, а также уплотнения гряд под влиянием гравитационных сил и осадков ухудшались условия жизнедеятельности микробного сообщества, что снижало поступление энергетических субсидий и приводило к разбалансированности экосистемы, а, следовательно, и коэффициента устойчивости, до 0,29 при отвальной и 0,55 при минимальной обработке.
В агробиоценозах зернопропашного севооборота уровень базального дыхания в первую очередь определялся запасами органического вещества в пахотном слое почвы. При этом минимальное его значение было при возделывании вико-овса (0,19), а максимальное – при выращивании озимой пшеницы (1,52 мкг С-СО2/г почвы/ч), что коррелировало с изменением запасов органического вещества в пахотном слое почвы под возделываемыми культурами и подтвердилось нашими расчетами (рисунок 25).
Между базальным дыханием и запасами органического вещества в пахотном слое почвы установлена корреляционная зависимость, описывающаяся линейной функцией с коэффициентом детерминации 0,48 при отвальной и 0,87 при минимальной обработке почвы, что говорит о средней связи в первом и сильной во втором варианте обработки между этими показателями (рисунок 26). Другим важным показателем интенсивности жизнедеятельности микробного сообщества является масса углерода, накапливаемого почвенной биотой, а также его доля в общем углероде органического вещества почвы.
Установлено, что в период интенсивного накопления биомассы ячменя при запасах органического углерода в пахотном слое почвы 41,8-43,0 т/га углерод микробной биомассы составлял 803-950 кг/га, при возделывании однолетних трав его запасы уменьшились до 34,2-36,5 т/га, что привело к снижению массы углерода микробного пула до 543-686 кг/га (рисунок 27). 50 40
Данная зависимость описывается линейной функцией с коэффициентом детерминации 0,98 при отвальной обработке почвы и 0,84 при минимальной, что указывает на сильную взаимосвязь между этими показателями (рисунок 28)
Рисунок 28. Взаимосвязь запасов органического углерода в пахотном слое почвы (т/га) с накоплением углерода микробной биомассой (кг/га) в период активного роста и развития культур Важную роль в процессах микробиологической трансформации соломы, сидерата и пожнивно-корневых остатков играли метеорологические условия вегетационного периода. Проведенные исследования показали, что более интенсивное разложение органических остатков наблюдалось при температуре почвы более 20 0С и влажности 60-70 % НВ. При отклонении от оптимальных значений одного из этих показателей интенсивность разложения различных форм органического вещества определялась фактором, находящимся в минимуме, в наших исследованиях – влажностью почвы (рисунок 29).
Наиболее оптимальной для легкосуглинистых почв в годы проведения исследований она была под озимой пшеницей (14,8 %), благоприятной (10,5 %) при возделывании ячменя и недостаточной при выращивании вико-овса (4,3 %) и картофеля (6,7 %), что отразилось на уровне базального дыхания, значения которого составили 1,49-1,52 мкг С-СО2/г почвы/ч в фазу молочно-восковой спелости озимой пшеницы, 1,00-1,18 в фазу колошения ячменя, 0,19-0,21 перед уборкой вико-овса и 0,27-0,33 мкг С-СО2/г почвы/ч в период цветения картофеля.