Resource-saving methods of cultivation of grain crops and biological activity of ordinary black soil

Full Text

Введение

В современной мировой сельскохозяйственной практике на смену традиционным интенсивным технологиям возделывания зерновых культур приходят ресурсосберегающие системы минимальной и нулевой обработки почвы. В связи с обострением экологических проблем и падением уровня плодородия агрогенных почв возникла необходимость проведения исследований по оценке современных приемов воспроизводства почвенного плодородия.

Обработка почв – важнейший элемент технологии возделывания культурных видов растений, от которого зависят факторы почвенного плодородия. Изменяя структуру и строение пахотного горизонта, механическая обработка изменяет тепловой и водно-воздушный режим почвы, оказывает влияние на микробиологическую активность и круговорот питательных элементов [1; 2].

Разрабатывая рациональные и экологически безопасные технологии обработки, необходимо учитывать их влияние на биологические свойства почвы, характеризующие состояние почвенного плодородия [3; 4]. Биологическая активность, благодаря высокой чувствительности и устойчивости, объективно отражает изменения, происходящие в экологическом состоянии агрогенных почв [5]. В нашей работе биологическую активность оценивали по интенсивности выделения углекислого газа и скорости разложения клетчатки, а также была определена микробиологическая активность.

В качестве комплексного показателя биологической активности почвы наиболее часто рассматривают целлюлозолитическую активность [6]. Процессы разложения клетчатки в почве позволяют судить об интенсивности биохимических процессов и биологическом круговороте элементов питания, а следовательно, о биологической активности и уровне почвенного плодородия [7].

Интенсивность разложения клетчатки отражает общую направленность микробиологических процессов в почве и может использоваться при изучении влияния различных агротехнических приемов на плодородие почвы и служить характеристикой экологического состояния изучаемой территории [8].

Интенсивность дыхания является четким и выразительным показателем изменения почвенной биологической активности в сезонной динамике, при изменении погодных условий, при негативном техногенном воздействии и т.д. Она положительно коррелирует с микробиологической активностью и содержанием органического вещества [9].

Микроорганизмы занимают ключевое положение в потоке энергии и круговороте биогенных элементов. При сельскохозяйственном использовании почв происходят коренные преобразования структуры микробных ассоциаций. На современном этапе для поддержания и воспроизводства плодородия агрогенных почв необходим динамический контроль состояния почвенной микрофлоры [4].

Цель и объекты исследования

Цель наших исследований заключалась в оценке ресурсосберегающих технологий основной обработки почвы с учетом их влияния на биологическую активность, урожайность культурных видов растений и плодородие чернозема обыкновенного в условиях Красноярской лесостепи.

Исследования проведены в период 2015–2017 гг. на территории опытно-производственного хозяйства «Минино», расположенного в 4 км от г. Красноярск. Почвы стационарного полевого опыта представлены среднемощными среднесуглинистыми обыкновенными черноземами. При исследовании уровня и характера динамики биологической активности почв в качестве эталона принят соответствующий почвенный аналог целины.

В работе рассмотрены следующие системы обработки почвы:

1. «Классическая» зяблевая вспашка на глубину 20–22 см и предпосевной культивации весной. Посев проводился сеялкой СЗС – 2,1 на глубину 5–6 см.
2. «Минимальная» состояла из осеннего и весеннего дискования тяжелой бороной на 8–10 см при помощи БДМ – 6 «Рубин» фирмы «Лемкен». Посев проводился сеялкой СЗС 2,1 на 5–6 см.
3. «Нулевая» (технология no-till), здесь механическая обработка не производилась, прямой посев проведен усовершенствованной сеялкой СЗС – 2,1 на 5–6 см. Для обработки почвы использовался колесный трактор марки Джон-Дир.

Исследования проведены на вариантах с посевами пшеницы (Новосибирская 29), овса (Саян), ячменя (Буян). Культуры выращиваются с внесением 1 ц/га аммиачной селитры перед посевом культур одновременно по всем полям севооборота и всем вариантам обработки сеялкой СЗ – 3,6.

Для изучения динамики биологической активности почвенные образцы отбирались в разные периоды развития полевых культур: фазу кущения, трубкования и перед уборкой яровых зерновых. Отбор образцов на опытных вариантах и целинном аналоге производились одномоментно на глубине 0–20 см.

Материалы и методика исследований

Целлюлозолитическую активность почв определяли аппликационным методом в чашках Петри путем учета остаточного количества нерасщепленной целлюлозы [10]. Об интенсивности целлюлозолитической активности образца судили по разнице в массе (в %) фильтровальной бумаги до и после инкубации. Опыт проведен в трехкратной повторности. Срок инкубации составлял 30 суток при оптимальных для развития микроорганизмов условиях влажности и температуры. Общий вид фильтровальной бумаги до и после инкубации представлен на рис. 1.

Интенсивность почвенного дыхания в лабораторных условиях определен по методике Галстяна в трехкратной повторности. Метод основан на определении интенсивности дыхания почвы по учету количественных изменений содержания углекислого газа в определенном замкнутом пространстве с помощью широкогорлых конических колб [11].

 

Рисунок 1 – Вид фильтровальной бумаги до и после инкубации (в центре представлен вариант опытного поля, справа – целинного аналога)

 

Выделение микроорганизмов из почвенных образцов проведен методом посева разведенной почвенной взвеси на твердые стерильные питательные среды в чашки Петри. Для определения бактерий использовали мясопептонный агар, для актиномицетов крахмало-аммиачный агар, для грибов синтетическую среду Чапека. Для получения сравнимых и более полных результатов произведен пересчет количества обнаруживаемых микроорганизмов на 1 г абсолютно сухой почвы. Данные численности представлены в КОЕ (колониеобразующих единицах) в пересчете на 1 г воздушно-сухой почвы.

Результаты исследований и их обсуждение

Агрометеорологические условия в годы проведения исследований получены с метеорологической станции п. Минино. В 2015 г. погодные условия вегетационного периода характеризовались как недостаточно влажные, а в 2016–2017 гг. как избыточно влажные и теплые, с превышением среднемесячных температур многолетних показателей. Распределение среднесуточных температур и осадков за вегетационный период АМС «Минино» по годам исследования представлены в таблице 1.

 

Таблица 1 – Гидротермические условия за вегетационный период на территории опытно-производственного хозяйства «Минино»

Год	Месяц				Май-август	Процент к норме
	май	июнь	июль	август
Среднесуточная температура воздуха, °С
2015	11,4	17,4	20,1	17,2	16,5	110,0
2016	8,7	19,3	20,6	16,7	16,3	108,6
2017	11,2	19,8	18,8	16,4	16,5	110,0
Среднемноголетние	10,0	15,0	19,0	16,0	15,0	–
Осадки, мм
2015	24,8	70,5	52,7	42,2	190,2	95,6
2016	51,6	38,3	147,4	56,1	293,4	147,4
2017	36,0	48,0	61,0	154,0	299,0	150,2
Среднемноголетние	29,0	43,0	66,0	61,0	199,0	–

 

Наибольшему воздействию при сельскохозяйственном использовании подвержены верхние горизонты агрогенных почв [5]. Многолетняя обработка черноземы обыкновенного опытно-производственного хозяйства привела к снижению показателей биологической активности пахотных горизонтов.

По всем изученным вариантам обработки интенсивность разрушения целлюлозы характеризуется как сильная. Наибольшей целлюлозоразрушающей способностью обладала почва целинного участка. Ее уровень составил 33,98%. Среди вариантов опыта наибольший процент разложения целлюлозы отмечен при применении минимальной обработке. Целлюлозолитическая активность в зависимости от системы основной обработки представлена на рис. 2.

 

Рисунок 2 – Средняя динамика целлюлозолитической активности в зависимости от основной обработки почвы, 2015–2017 гг.

 

Весной небольшая целлюлозолитическая активность определяется низкой температурой атмосферного воздуха и почвенного покрова. В этот период наиболее активны аэробные целлюлозоразрушающие бактерии, запускающие процесс органического распада в поверхностном слое почвы после зимнего перерыва.

В середине вегетации, с повышением температурного режима, активизируются почвенные микромицеты, положительно влияя на интенсивность целлюлозолитических процессов.

К концу вегетации наблюдалось повышение целлюлозоразлагающей активности по всем вариантам опыта. Достаточно высокую активность этого показателя можно объяснить поступлением в пахотный горизонт органического вещества в виде растительного материала полевых культур, отмирающих в конце вегетационного периода [12].

Минимизация почвенной обработки приводит к увеличению плотности почв. В результате уменьшения степени аэробности в корнеобитаемом слое происходит снижение целлюлозоразлагающей активности при прямом посеве. На варианте с дискованием интенсивность разложения целлюлозы выше за счет лучшей аэрации почвы. Целлюлозолитическая активность пахотного горизонта в зависимости от системы основной обработки представлена в таблице 2.

 

Таблица 2 – Целлюлозолитическая активность в зависимости от технологии обработки почвы, % за 30 дней

Культура	Технология обработки	Год определения			Среднее за 3 года
		2015	2016	2017
Пшеница	Классическая обработка	18,84	26,88	25,76	23,83
	Минимальная обработка	19,98	28,94	26,57	25,16
	Нулевая обработка	17,71	24,32	24,27	22,10
Овес	Классическая обработка	16,96	26,71	25,32	23,00
	Минимальная обработка	17,43	28,31	26,76	24,17
	Нулевая обработка	17,71	24,43	24,90	22,35
Ячмень	Классическая обработка	19,92	28,14	27,04	25,03
	Минимальная обработка	19,85	28,70	26,39	24,98
	Нулевая обработка	17,76	24,37	24,53	22,22
Целинный аналог		30,63	33,32	32,65	32,20
HCP₀₅		2,14	2,25	2,74	2,13

 

В благоприятных по гидротермическим условиям 2016 и 2017 годах целлюлозолитическая активность значительно превышает показатели, полученные в 2015 году. Высокая влажность и температура почвы вызвала значительное увеличение целлюлозоразлагающей активности на 29–33% в зависимости от срока отбора образцов. При этом более выраженно проявилось влияние обработки почвы. В избыточно влажном 2017 г. происходит незначительное снижение биологической активности почвы и, как следствие, целлюлозолитической активности.

Интенсивность почвенного дыхания находится в зависимости от экологических факторов, основные из которых температура и влажность, а также особенностями агротехники [13]. Наибольшая интенсивность почвенного дыхания отмечена на целинном варианте. Многолетняя обработка чернозема обыкновенного опытного поля приводит к снижению интенсивности дыхания в среднем в 1,44 раза. На контроле весной эта величина составила 19,55 мг, летом 14,62 мг и осенью 18,93 мг СО₂/10 г за 24 часа.

Сезонная изменчивость почвенного дыхания проявляется в снижении этого показателя в середине вегетационного периода. В образцах почв первого срока отбора интенсивность почвенного дыхания довольна высока и находилась в пределах 11,97–13,41 мг СО₂/10 г за 24 часа. Интенсивность дыхания в летний период снижается до 9,06–9,72. Максимальным уровень почвенного дыхания отмечен осенью в интервале 14,54–15,96 мг СО₂/10 г за 24 часа (рис. 3).

 

Рисунок 3 – Средняя динамика интенсивности почвенного дыхания в зависимости от основной обработки почвы, 2015–2017 гг.

 

В условиях Красноярской лесостепи установлено, что различные способы обработки почвы влияют на почвенное дыхание. Проведенные исследования показали, что наибольшая интенсивность почвенного дыхания наблюдается при минимальных, а наименьшая – при отвальных обработках почвы.

В полевых условиях пик выделения углекислого газа приходится на середину лета и обусловлено интенсивным дыханием корней и деятельностью микроорганизмов. В контролируемых лабораторных условиях влияние погодных условий устранено. В этих условиях дыхание почв обусловлено дыханием микроорганизмов, что подтверждается данными динамики общей численности микроорганизмов, полученных нами ранее.

На варианте с классической обработкой при обороте почвенного пласта происходит снижении активности почвенной микробиоты, а следовательно, отмечается снижении эмиссия СО₂. Высокая энергия «дыхания» почвы при минимализации обработки происходит за счет скопления микроорганизмов в верхнем слое пахотного горизонта.

Несмотря на сезонные колебания интенсивности почвенного дыхания, в среднем за вегетационный период складывается одинаковая тенденция повышения почвенного дыхания при снижении механической нагрузки на почву.

Работами многих авторов выявлена прямая корреляционная зависимость интенсивности почвенного дыхания от температуры и влажности почвы [14; 15]. В благоприятных по влажности 2016 и 2017 гг. интенсивность почвенного дыхания превышала показатели, полученные в 2015 году. Благоприятные гидротермические условия привели к повышению продуцирования СО₂ на 17,9%. При этом происходит снижение различий между вариантами опытного поля. Интенсивность почвенного дыхания в пахотном слое в зависимости от системы основной обработки почвы представлена в таблице 3.

 

Таблица 3 – Интенсивность почвенного дыхания в зависимости от технологии обработки почвы, мг СО₂/10 г за 24 часа

Культура	Технология обработки	Год определения			Среднее за 3 года
		2015	2016	2017
Пшеница	Классическая обработка	10,17	12,76	12,05	11,66
	Минимальная обработка	10,56	13,71	12,51	12,26
	Нулевая обработка	10,55	13,84	12,21	12,20
Овес	Классическая обработка	10,92	13,22	12,86	12,33
	Минимальная обработка	11,88	14,51	13,94	13,44
	Нулевая обработка	11,19	14,24	12,85	12,76
Ячмень	Классическая обработка	10,56	12,99	12,40	11,98
	Минимальная обработка	10,94	14,46	12,84	12,75
	Нулевая обработка	10,69	14,09	12,41	12,40
Целинный аналог		16,87	18,53	18,45	17,95
HCP₀₅		0,90	0,94	1,16	0,95

 

В периоды значительного переувлажнения почвы зависимость от влажности почвы носит обратный характер и вызывает снижение интенсивности дыхания [14; 15]. Наши данные подтверждают это утверждение, в избыточно влажном 2017 г. происходит небольшое уменьшении скорости продуцирования СО₂.

Уплотнение почвы при применении минимальной обработки и прямого посева не приводит к уменьшению продуцирования СО₂. По имеющимся в литературе данным, тенденция уменьшения скорости продуцирования СО₂ почвой прослеживается при плотности почвы 1,4 г/см³ и выше [16].

Минимизация и отсутствие обработки позволили накопить на поверхности почвы мульчирующий слой из растительных остатков и измельченной соломы в количестве 9–13 т/га. Для большинства микроорганизмов органическое вещество является основным источником энергии и питательных веществ, поэтому при минимизации обработки биологическая активность почв повышается. В наших исследованиях повышение микробиологической активности в пахотном горизонте положительно отразилось на почвенном дыхании и не повлияло на целлюлозолитическую активность.

В первый срок определения отмечается высокая микробиологическая активность. К середине вегетации происходит снижение влажности почвы и уменьшение количества свежего органического вещества, что приводит к спаду активности почвенных микроорганизмов.

В конце вегетационного периода общая численности микроорганизмов возрастает, что связано с накоплением свежего органического вещества в виде растительных остатков и корневых выделений (рис. 4).

За время исследований более благоприятные экологические условия для развития почвенной микрофлоры отмечены на вариантах с дискованием и прямым посевом. Значительных различий в численности почвенной микрофлоры под влиянием изучаемых зерновых культур не обнаружено.

Общая численность микроорганизмов в посевах зерновых культур в зависимости от основной обработки почвы представлена в таблице 4.

 

Рисунок 4 – Средняя динамика общей численности микроорганизмов в зависимости от основной обработки почвы, 2015–2017 гг.

 

Таблица 4 – Общая численность микроорганизмов в зависимости от технологии обработки почвы, млн КОЕ/1 г а.с. почвы

Культура	Технология обработки	Год определения			Среднее за 3 года
		2015	2016	2017
Пшеница	Классическая обработка	12,71	14,14	15,12	13,99
	Минимальная обработка	14,78	16,81	17,40	16,33
	Нулевая обработка	14,49	16,10	16,41	15,66
Овес	Классическая обработка	12,97	14,58	15,25	14,26
	Минимальная обработка	14,55	16,88	17,54	16,33
	Нулевая обработка	14,52	16,22	16,49	15,74
Ячмень	Классическая обработка	12,80	14,26	15,09	14,05
	Минимальная обработка	14,74	16,41	16,84	15,99
	Нулевая обработка	14,44	15,93	16,22	15,53
Целинный аналог		16,87	20,73	24,07	24,44
HCP₀₅		0,90	0,71	0,79	1,03

 

Интегральным показателем и оценкой эффективности использования различных технологий обработки почвы служит урожайность возделываемых культур [17]. В зоне лесостепи урожайность зерновых культур имеет значительные колебания не только по годам исследований, но и в зависимости от способа обработки почвы. Минимизация способствует формированию более высокой урожайности зерновых культур [18]. Влияние систем основной обработки на урожайность культур представлено в таблице 5.

 

Таблица 5 – Урожайность зерновых культур в зависимости от технологии обработки почвы, ц/га

Культура	Технология обработки	Год определения			Среднее за 3 года	Прибавка урожая
		2015	2016	2017
аммиачная селитра, 1 ц/га
Пшеница	Классическая обработка	39,5	27,0	21,9	29,47	нет
	Минимальная обработка	42,5	24,0	20,6	29,03	–0,44
	Нулевая обработка	41,3	28,0	21,9	30,40	+0,93
Овес	Классическая обработка	42,3	47,7	36,8	42,27	нет
	Минимальная обработка	41,9	42,8	33,5	39,40	–2,87
	Нулевая обработка	39,6	37,8	35,1	37,50	–4,77
Ячмень	Классическая обработка	–	24,0	23,9	23,95	нет
	Минимальная обработка	–	23,2	24,2	23,70	–0,25
	Нулевая обработка	–	23,2	22,0	22,60	–1,35

 

В среднем за три года исследований урожайность зерна яровой пшеницы выше на вариантах прямого посева, выращивание ярового ячменя и овса с применением ресурсосберегающих систем обработки привело к снижению урожайности. При выращивании пшеницы прибавка урожая 0,93 ц/га получена на варианте с прямым посевом. Использование минимальной обработки при выращивании пшеницы привели к небольшому снижению урожайности в размере 0,44 ц/га.

Снижение урожая зерна по сравнению к зяблевой вспашке при выращивании ячменя составила 0,25 ц/га на варианте с минимальной обработкой и 1,35 ц/га на варианте с прямым посевом. Применение ресурсосберегающих технологий при выращивании овса привело к значительному снижению урожайности – на 2,87 на варианте минимальной обработки и 4,77 ц/га на варианте прямого посева.

Для определения наиболее эффективного варианта агротехнологии возделывания сельскохозяйственных культур проведен расчет соотношения экономического результата и затрат, обеспечивающих этот результат. Полученный показатель показывает экономическую эффективность внедрения научных разработок в сельскохозяйственном производстве и служит основанием для объективной оценки достоинств и недостатков ресурсосберегающих способов обработки почвы [19].

Для экономической оценки определены затраты на один гектар посева зерновых культур при различных системах основной обработки почвы [20]. Самая низкая себестоимость зерновых культур наблюдается на варианте прямого посева – себестоимость пшеницы составила 2546 руб./т., ячменя 3425 руб./т. и себестоимость овса 2064 руб./т. Расчет экономической эффективности производства зерновых культур показал, что наиболее высокий уровень рентабельности показали варианты прямого посева при выращивании пшеницы 139,58%, овса 142,24% и 60,59% ячменя. Применение классической зяблевой вспашки привело с существенному снижению рентабельности на вариантах с выращиванием ячменя и пшеницы. Экономическая эффективность возделывания зерновых культур приведена в таблице 6.

 

Таблица 6 – Экономическая эффективность производства зерновых культур в зависимости от технологии обработки почвы, %

Культура	Технология обработки	Год определения			Среднее за 3 года
		2015	2016	2017
Пшеница	Классическая обработка	154,20	73,76	40,94	89,63
	Минимальная обработка	208,77	74,37	49,66	110,93
	Нулевая обработка	225,48	120,67	72,59	139,58
Овес	Классическая обработка	123,13	151,62	94,12	122,96
	Минимальная обработка	149,52	154,88	99,50	134,63
	Нулевая обработка	155,81	144,18	126,74	142,24
Ячмень	Классическая обработка	–	39,26	38,68	38,97
	Минимальная обработка	–	51,98	58,53	55,26
	Нулевая обработка	–	64,85	56,33	60,59

 

Применение ресурсосберегающих технологий обработки существенно снижает производственные затраты, что приводит к росту рентабельности возделывания зерновых культур. Высокий уровень рентабельности прямого посева при невысокой урожайности зерновых культур связан с сокращением затрат на обработку почвы и экономии топлива. При использовании минимальной технологии трудозатраты сокращаются на 35,5%, ГСМ на 40,3%, при технологии прямого посева трудозатраты сократились на 49,1%, ГСМ на 64,2%, чем при использовании традиционной технологии с зяблевой вспашкой.

Выводы

1. Обработка почвы опытного поля привела к снижению интенсивности почвенного дыхания на 30,9% и целлюлозолитической активности на 26,8%. При снижении механической нагрузки на почву отмечена одинаковая тенденция повышения почвенного дыхания. Максимальная интенсивность целлюлозолитической активности почвы отмечена на варианте с дискованием, минимальная – на варианте прямого посева. Применение энергосберегающих технологий возделывания зерновых культур на черноземах обыкновенных в условиях Красноярской лесостепи приводит к увеличению микробиологической активности, без изменения естественного соотношения основных групп микроорганизмов. Возделываемые культуры не оказали существенного влияния на биологическую активность.
2. Применение прямого посева приводит к повышению урожайности яровой пшеницы на 0,93 ц/га и снижению урожайности при выращивании ячменя и овса. Применение минимальной обработки почвы привело к небольшому снижению урожайности яровой пшеницы на 0,44 ц/га и ячменя на 0,25 ц/га. При выращивании овса происходит снижение урожайности на варианте минимальной обработки на 2,87 ц/га и 4,77 ц/га на варианте прямого посева.
3. Применение ресурсосберегающих технологий обработки существенно снижает производственные затраты, приводит к повышению прибыли и уровня рентабельности. Наиболее высокий уровень рентабельности показали варианты прямого посева при выращивании пшеницы (139,58%) и овса (142,24%). Применение классической зяблевой вспашки привело к существенному снижению рентабельности на вариантах с выращиванием ячменя и пшеницы.

About the authors

Alexandra Vasilyevna Zaushintsena

Kemerovo State University

Email: alexaz58@yandex.ru

doctor of biological sciences, professor of Botany Department

Russian Federation, Kemerovo

Vasily Nikolaevich Romanov

Krasnoyarsk Research Institute of Agriculture, Federal Research Center «Krasnoyarsk Science Center SB RAS»

Email: romanov1948@yandex.ru

doctor of agricultural sciences, leading researcher of Agrotechnology Department

Russian Federation, Krasnoyarsk

Nikolay Vladimirovich Kozhevnikov

Kemerovo State University

Author for correspondence.
Email: koghevnikov_nv@mail.ru

postgraduate student of Botany Department

Russian Federation, Kemerovo

References

Supplementary files