Russian Federation
The purpose of the study is to establish the effect of soil biological activity and nitrate nitrogen content on the productivity of spring wheat in the arid conditions of the Southern Urals. The results of a long-term stationary experiment on the effect of the biological activity of the soil and the quantitative content of nitrate nitrogen in the soil on the yield of soft spring wheat in crop rotations and monosowing on two backgrounds of mineral nutrition are presented. The experiment was carried out on a stationary site in the Orenburg Region. The vegetation periods of the study are assigned to three groups of aridity, and 14 out of 20 years correspond to very dry ones with HTC equal to 0.6 units or less; 2 years (2003 and 2013) out of 20 were characterized as slightly dry. The cultivation of soft spring wheat in the system of multi-field, permanent crops is considered. The highest percentage of biological activity of the soil was established in the variant of the aftereffect of peas both on a fertilized background (31.4 %) and unfertilized (10.2 %). Cultivation of soft spring wheat in multi-field in the aftereffect of peas and millet leads to an increase in crop yield. Yields of spring wheat on average for 2002–2021 in the aftereffect of the predecessors, peas and millet amounted to 0.98 and 0.97 tons with the application of mineral fertilizers and 0.93 and 0.90 tons per 1 ha against the background without fertilizers, respectively. The use of mineral fertilizers leads to an increase in the biological activity of the soil, the content of nitrate nitrogen and, as a result, the productivity of an agricultural crop. On average, over 20 years of research, there is a close relationship between the yield of spring wheat and the biological activity of the soil in the aftereffect of millet: on a fertilized background – 71.5 %, on an unfertilized background – 68.7 %.
crop rotation, spring soft wheat, soil biological activity, nitrate nitrogen, monosowing, predecessor
Введение. Производство зерновой продукции является важнейшей задачей земледельческой науки в обеспечении продовольствием населения Российской Федерации и других мировых стран.
Для увеличения продуктивности мягкой яровой пшеницы необходимо сочетать научно обоснованные приемы в земледелии (обработка почвы, применение минеральных и органических удобрений, пополнение и сохранение почвенных влагозапасов, борьба с сегетальной растительностью и другие мероприятия). На черноземных почвах степной зоны Южного Урала применяется отвальная вспашка, безотвальное рыхление и увеличение в севообороте доли (с 22 до 45 %) предшественников с последующей отвальной вспашкой, что способствует усилению биологической активности почвы [1]. В результате проведенных опытов в Бельгии выяснено, что отвальная вспашка после уборки пшеницы активизирует бактериальные группы, разлагающие сложные соединения. При минимализации и уменьшении глубины обработки преобладают микроорганизмы с олиготрофным образом жизни [2, 3].
Применение органических и минеральных удобрений на черноземах Южного Урала сопровождается усилением биологической активности почвы [4, 5]. В Рязанской области для усиления микробиологических процессов в шестипольных севооборотах на фоне минеральных удобрений применяли доломитовую муку [6, 7]. В Оренбургском Предуралье в бессменных посевах пшеницы без использования минеральных удобрений уровень биологической активности был заметно снижен и составил 7,4 % [8, 9]. Оптимальное азотное питание зерновых культур обеспечивает получение хорошего урожая [10, 11]. Необходимо отметить ускоренную трансформацию азота на границе раздела корня и почвы за счет деятельности почвенных микроорганизмов [12]. Поглощение нитратного азота после периода цветения пшеницы приводит к увеличению урожайности культуры [13, 14]. По мнению многих ученых, для предотвращения снижения урожайности пшеницы нужно вносить в почву удобрения с преобладанием азотных [15]. В условиях юга Португалии в 2017–2018 гг. самые высокие значения урожайности пшеницы получены при использовании обычных азотных удобрений [16].
Цель исследования – установление влияния содержания нитратного азота в сопряжении с биологической активностью почвы в севооборотах и монопосевах на продуктивность яровой пшеницы в условиях Южного Урала.
Объекты и методы. Эксперимент проводился на стационарном опытном участке по севооборотам и бессменным посевам сельскохозяйственных культур в отделе земледелия и ресурсосберегающих технологий ФГБНУ «Федеральный научный центр биологических систем и агротехнологий РАН». Опытный участок расположен на территории Оренбургского административного района с координатами 51.775125° с.ш. и 55.306547° в.д. Почва представлена черноземом южным карбонатным среднемощным тяжелосуглинистым с содержанием в слое 0–30 см: гумуса – 3,2–4,0 %; азота – 0,20–0,31 %; фосфора – 0,14–0,22 %; подвижного фосфора – 1,5–2,5 мг/100 г почвы; подвижного калия – 30–38 мг/100 г почвы; рН почвенного раствора – 7,0–8,1. Схема эксперимента представлена в таблице 1.
Объектами исследования являются посевы пшеницы мягкой яровой в севооборотах и монокультуре, а также почвообразцы по вариантам опыта. Эксперимент закладывался по методике Б.А. Доспехова в четырех повторениях.
Ширина делянок на 1–3 вариантах опыта составляет 14,4 м, на остальных (с 4-го по 9-й вариант) – 7,2 м. По длине делянки разграничиваются на удобренный фон (30 м) и неудобренный (60 м). Площадь делянок в севооборотах на удобренном фоне с шириной 14,4 м составляет 432 м2, с шириной 7,2 м – 216 м2, на неудобренном – соответственно 864 и 432 м2 .
Таблица 1
Схема эксперимента
|
Севооборот, монопосев |
Поле, культура |
||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
||
|
Шестипольные севообороты |
Пар черный |
Озимая рожь |
Твердая пшеница |
Сборное поле |
Кукуруза на силос |
Мягкая яровая пшеница (IV) |
Ячмень |
|
Просо |
Мягкая яровая пшеница (V) |
||||||
|
Сорго на силос |
Мягкая яровая пшеница (VI) |
||||||
|
Горох |
Мягкая яровая пшеница (VII) |
||||||
|
Пар черный |
Твердая пшеница |
Мягкая яровая пшеница (контроль) (I) |
Сборное |
Мягкая яровая пшеница |
Ячмень |
||
|
Пар занятый летним посевом суданской травы |
Твердая пшеница |
Мягкая яровая пшеница (II) |
Сборное |
Мягкая яровая пшеница |
Ячмень |
||
|
Пар сидеральный |
Твердая пшеница |
Мягкая яровая пшеница (III) |
Сборное |
Мягкая яровая пшеница |
Ячмень |
||
|
Двуполье |
Твердая пшеница |
Мягкая яровая пшеница (VIII) |
|
|
|
|
|
|
Монопосев |
Мягкая яровая пшеница (IX) |
|
|
|
|
|
|
Примечание: I–IX – варианты опыта.
При уборке комбайном «Сампо 500» учетная площадь на удобренном фоне составила 60 м2, на неудобренном – 120 м2.
Под основную обработку почвы предшественника вносили N40P80K40. Весной проводили боронование, культивацию, посев мягкой яровой пшеницы сорта Учитель с последующим прикатыванием. Норма высева – 4,5 млн всхожих семян на 1 га.
Для определения биологической активности почвы применялся метод разложения льняного полотна. На двух фонах питания всех вариантов опыта закладывали в почву по две аппликационные пробы на глубину 20 см. Срок экспозиции льняной ткани в почве – 90 дней. Закладку проб проводили после посева (в период всходов яровой пшеницы). Перед уборкой культуры пробы выкапывали. Затем рассчитывали процент разложения микроорганизмами ткани льняного полотна.
Для определения нитратного азота отбирались образцы в слое почвы 0–30 см на двух повторениях, по двум фонам почвенного питания. Почвенные образцы отбирались ручным пробоотборником с трех точек делянки в срок после посева культуры и ее уборки. Лабораторный анализ проводили по ГОСТ 26951-86 «Почвы. Определение нитратов ионометрическим методом». Полученные данные по урожайности мягкой яровой пшеницы, биологической активности почвы и содержанию нитратного азота анализировались методом множественной регрессии в программе Statistica 12.0.
Результаты и их обсуждение. Исследование проводилось с 2002 по 2021 г. в условиях степной зоны Южного Урала.
В таблице 2 представлены гидротермический коэффициент вегетационного периода и количество суховейных дней. Из 20 лет исследования 14 лет относятся к очень засушливым, когда показатель гидротермического коэффициента составлял 0,6 единиц и менее.
Таблица 2
Характеристика вегетационных периодов за 2002–2021 гг.
|
Показатель |
Год исследования |
|||||||||
|
2002 |
2003 |
2004 |
2005 |
2006 |
2007 |
2008 |
2009 |
2010 |
2011 |
|
|
ГТК за вегетационный период |
0,46 |
1,09 |
0,50 |
0,44 |
0,63 |
0,70 |
0,56 |
0,15 |
0,59 |
0,63 |
|
Кол-во суховейных дней за вегетационный период |
51 |
22 |
41 |
41 |
45 |
51 |
79 |
89 |
109 |
89 |
|
Характеристика вегетационного периода |
III |
I |
III |
III |
II |
II |
II |
III |
III |
III |
|
Показатель |
Год исследования |
|||||||||
|
2012 |
2013 |
2014 |
2015 |
2016 |
2017 |
2018 |
2019 |
2020 |
2021 |
|
|
ГТК за вегетационный период |
0,34 |
0,82 |
0,24 |
0,57 |
0,33 |
0,46 |
0,34 |
0,65 |
0,30 |
0,23 |
|
Кол-во суховейных дней за вегетационный период |
92 |
86 |
73 |
63 |
84 |
44 |
54 |
112 |
92 |
105 |
|
Характеристика вегетационного периода |
III |
I |
III |
III |
III |
III |
III |
II |
III |
III |
Примечание. Характеристика вегетационного периода: I – незначительно засушливый (ГТК 0,8 и более); II – засушливый (ГТК 0,6–0,8); III – очень засушливый (ГТК 0,6 и менее).
Результаты исследования свидетельствуют об изменении урожайности пшеницы мягкой в вариантах с различным набором предшественников под влиянием почвенных микроорганизмов и содержания нитратного азота. Уровень биологической активности почвы по двум фонам почвенного питания находился в интервале от 7,8 до 31,4 % (табл. 3).
Наибольшая биологическая активность микроорганизмов отмечается в седьмом варианте эксперимента, при возделывании мягкой яровой пшеницы после гороха и имеет значение по удобренному фону 31,4 %, по неудобренному – 10,2 %.
При использовании минеральных удобрений наименьшая (8,4 %) биологическая активность почвы отмечается в первом варианте.
Таблица 3
Продуктивность мягкой яровой пшеницы, биологическая активность почвы с долей влияния фактора и содержание нитратного азота под вариантами опытов в 2002–2021 гг.
|
Вариант предшественника |
Содержание в почве N-NO3, мг/100 г почвы |
Разложение льняной ткани, % |
Урожайность пшеницы мягкой, т/га |
Доля влияния фактора биологической активности почвы, % |
||||||
|
После посева культуры |
После уборки культуры |
|||||||||
|
I |
II |
I |
II |
I |
II |
I |
II |
I |
II |
|
|
1. Пшеница твердая по черному пару (контроль) |
7,7 |
7,2 |
5,9 |
5,2 |
8,4 |
8,3 |
0,89 |
0,85 |
64,4 |
59,3 |
|
2. Пшеница твердая по занятому (суданка) пару |
6,8 |
5,7 |
6,4 |
5,4 |
9,2 |
8,7 |
0,94 |
0,85 |
58,3 |
54,4 |
|
3. Пшеница твердая по сидеральному пару |
7,3 |
7,1 |
7,1 |
5,6 |
10,3 |
8,3 |
0,90 |
0,81 |
41,8 |
52,2 |
|
4. Кукуруза |
9,6 |
6,2 |
5,8 |
5,4 |
9,5 |
9,1 |
0,83 |
0,79 |
54,2 |
43,8 |
|
5. Просо |
7,8 |
5,8 |
6,3 |
5,1 |
30,0 |
9,0 |
0,97 |
0,90 |
71,5 |
68,8 |
|
6. Сорго на силос |
6,4 |
5,6 |
5,1 |
3,9 |
10,7 |
9,9 |
0,86 |
0,79 |
36,8 |
36,3 |
|
7. Горох |
8,4 |
6,2 |
6,5 |
4,7 |
31,4 |
10,2 |
0,98 |
0,93 |
42,9 |
57,9 |
|
8. Пшеница твердая (двуполье) |
7,4 |
6,9 |
5,5 |
4,7 |
9,5 |
7,8 |
0,85 |
0,70 |
40,1 |
17,9 |
|
9. Пшеница мягкая (монокультура) |
7,6 |
7,7 |
5,7 |
4,9 |
10,0 |
8,7 |
0,79 |
0,72 |
38,7 |
32,3 |
Примечание: I – фон с удобрением; II – фон без удобрения. НСР05 по фактору А (предшественник) – 0,25; НСР05 по фактору В (удобрение) – 0,33; НСР05 по взаимодействию факторов АВ – 0,20.
В двуполье (в восьмом варианте) на фоне без применения минеральных удобрений отмечается снижение биологической почвенной активности до 7,8 %, что объясняется оставлением в почве однотипных растительных остатков, потребляемых определенными группами микроорганизмов.
Количественное содержание в пахотном слое почвы нитратного азота (N-NO3) отмечается в четвертом варианте опыта в последействии кукурузы на силос по удобренному фону (9,6 мг/100 г почвы) и девятом варианте в монопосеве пшеницы мягкой по неудобренному (7,7 мг). В послеуборочный период наибольшее содержание N-NO3 в почве отмечается под посевом пшеницы мягкой по пшенице твердой в последействии сидерального пара (третий вариант опыта): по удобренному фону – 7,1 мг/100 г почвы и неудобренному – 5,6 мг/100 г почвы. Минимальное количество нитратного азота в среднем за годы эксперимента отмечается в шестом варианте опыта при возделывании пшеницы мягкой по сорго на силос и составляет 5,1 и 3,9 мг/100 г почвы соответственно по фонам с удобрениями и без них. По результатам исследования наибольшая урожайность мягкой яровой пшеницы в среднем за 2002–2021 гг. получена в вариантах севооборотов с горохом и просом на фоне применения минеральных удобрений 0,98 и 0,97 и неудобренном 0,93 и 0,90 т/га соответственно. При возделывании пшеницы мягкой в двуполье с пшеницей твердой (восьмой вариант) прибавка урожайности от применения минеральных удобрений составила 0,15 т/га. Применение минеральных удобрений ведет к повышению биологической активности почвы, содержанию нитратного азота и в итоге продуктивности сельскохозяйственной культуры. При обработке экспериментальных данных методом множественной регрессии установлена зависимость урожайности пшеницы мягкой от биологической активности почвы от 17,9 (в седьмом и восьмом вариантах на неудобренном фоне) до 71,5 % (в пятом варианте на удобренном фоне). В среднем за 20 лет исследования отмечается тесная взаимосвязь урожайности мягкой яровой пшеницы с биологической активностью почвы в пятом варианте опыта при использовании минеральных удобрений (71,5 %) и без них (68,8 %). В шестом варианте опыта доля влияния фактора биологической активности на урожайность пшеницы мягкой при использовании удобрений минимальна и составляет 36,8 %. Также минимально влияние (32,3 %) на урожайность действия почвенных микроорганизмов в девятом варианте монокультуры пшеницы на фоне без удобрений. Отказ от использования минеральных удобрений приводит к снижению микробиологической активности почвы. Свидетельством этому являются данные по вариантам опытов. Снижение активности микроорганизмов на неудобренном фоне отмечается в последействии большинства предшественников, исключение составляют третий и седьмой варианты. Увеличение доли влияния фактора на неудобренном фоне в третьем и седьмом варианте опыта достигается путем возделывания предшествующей сидеральной культуры и гороха.
Для благоприятного роста и развития мягкой яровой пшеницы необходимо достаточное количество нитратного азота, от его содержания зависит формирование урожайности.
В третьем варианте опыта урожайность пшеницы мягкой в последействии сидерального пара имеет наибольшую долю влияния фактора (количество нитратного азота после посева культуры) – 24,67 % при уровне значимости 0,01 по удобренному фону (табл. 4).
Таблица 4
Влияние содержания нитратного азота в почве на урожайность пшеницы
мягкой в севооборотах за 20 лет наблюдений
|
Фон питания |
Вариант опыта по предшественнику |
Уровень значимости (Р) |
Коэффициент дельта (δ) |
Доля влияния фактора, % |
|||
|
I |
II |
I |
II |
I |
II |
||
|
Удобренный |
1. По пшенице твердой после черного пара (контроль) |
0,04 |
0,01 |
0,22 |
0,78 |
8,14 |
28,86 |
|
2. По пшенице твердой после занятого пара |
0,24 |
0,01 |
0,01 |
0,99 |
0,38 |
33,82 |
|
|
3. По пшенице твердой после сидерального пара |
0,01 |
0,04 |
0,69 |
0,31 |
24,67 |
10,93 |
|
|
4. По кукурузе на силос |
0,87 |
0,80 |
0,13 |
0,87 |
0,05 |
0,35 |
|
|
Неудобренный |
5. По просо |
0,01 |
0,02 |
0,63 |
0,37 |
23,31 |
13,69 |
|
6. По сорго на силос |
0,03 |
0,04 |
0,53 |
0,47 |
17,60 |
15,60 |
|
|
7. По гороху |
0,02 |
0,03 |
0,57 |
0,43 |
20,94 |
16,06 |
|
|
8. По пшенице твердой в двуполье |
0,00 |
0,00 |
0,53 |
0,47 |
27,08 |
24,12 |
|
|
9. По пшенице мягкой (монокультура) |
0,17 |
0,04 |
0,11 |
0,89 |
2,64 |
21,16 |
|
Примечание: I – содержание нитратного азота в почве после посева; II – содержание нитратного азота в почве после уборки.
Максимальная доля использования нитратного азота к уборке культуры и влияния на урожайность мягкой яровой пшеницы (33,82 %) отмечена во втором варианте на удобренном фоне. В вариантах опыта с пятого по девятый влияние содержания нитратного азота на удобренном фоне не установлено. На фоне без применения минеральных удобрений наибольшая доля влияния количества нитратного азота до и после посева культуры на урожайность отмечается в восьмом варианте и составляет 27,08 и 24,12 % соответственно. На остальных вариантах эксперимента влияние количественного содержания нитратного азота в почве на урожайность пшеницы мягкой малозначимо.
Заключение. При изучении возделывания мягкой яровой пшеницы по различным предшественникам в шестипольных севооборотах, двуполье и монопосеве установлено влияние биологической активности почвы и содержания нитратного азота на продуктивность культуры. Наибольшая биологическая активность почвы отмечается в варианте возделывания мягкой яровой пшеницы после гороха (седьмой вариант опыта): на удобренном фоне – 31,4 %; на неудобренном фоне – 10,2 %. Установлено, что в среднем за 2002–2021 гг. наибольшая урожайность яровой пшеницы формируется в шестипольном севообороте, где в качестве предшественника выступает горох. Урожайность яровой пшеницы по гороху составила: на удобренном фоне – 0,98 т/га; на фоне без удобрения – 0,93 т/га. Тесная взаимосвязь (71,5 %) урожайности культуры с биологической активностью почвы прослеживается также в пятом варианте опыта при использовании минеральных удобрений. Исходя из результатов исследования, аграриям Южного Урала, специализирующимся на возделывании зерна мягкой яровой пшеницы, с целью увеличения валовой продукции культуры предлагается возделывать ее в системе шестипольных севооборотов с применением минеральных удобрений, где в качестве предшественника выступают горох на зерно.
1. Dinamika plodorodiya pochvy pri vozdelyvanii yarovoy pshenicy v sevooborotah i bessmenno v zavisimosti ot sistemy udobreniy i obrabotki / S.D. Gilev [i dr.] // Zemledelie. 2017. № 4. S. 22–26.
2. Goryanin O.I., Scherbinina E.V. Sovershenstvovanie tehnologii vozdelyvaniya yarovoy pshenicy v Povolzh'e // Agrarnyy nauchnyy zhurnal. 2020. № 11. S. 25–29.
3. Yuschkevich L.V., Pahotina I.V., Schitov A.G. Effektivnost' ispol'zovaniya agrotehnologicheskih priemov vozdelyvaniya myagkoy yarovoy pshenicy v povyshenii produktivnosti i kachestva zerna v Omskoy oblasti // Vestnik KrasGAU. 2021. № 7. S. 26–34.
4. Intensifikaciya vozdelyvaniya yarovoy pshenicy na zemledel'cheskoy territorii Sibiri / V.N. Romanov [i dr.] // Vestnik KrasGAU. 2022. № 5. S. 17–27.
5. Skorohodov V.Yu. Biologicheskiy faktor vosproizvodstva gumusa i podderzhaniya plodorodiya pochvy v usloviyah stepnoy zony Yuzhnogo Urala // Plodorodie. 2021. № 2 (119). S. 55–59.
6. Kuznecov D.A. Vliyanie mineral'nyh udobreniy i norm vyseva na urozhaynost' i kachestvo zerna yarovoy pshenicy // Agrarnyy nauchnyy zhurnal. 2020. № 11. S. 25–29.
7. Rezervy povysheniya urozhaynosti yarovoy pshenicy v lesostepi Zapadnoy Sibiri / V.N. Shoba [i dr.] // Dostizheniya nauki i tehniki APK. 2017. T. 31, № 6. S. 31–33.
8. Skorohodov V.Yu. Produktivnost' yarovoy myagkoy pshenicy v sopryazhenii s soderzhaniem makroelementov i bioaktivnost'yu pochvy na chernozemah yuzhnyh stepnoy zony Yuzhnogo Urala // Vestnik Ul'yanovskoy gosudarstvennoy sel'skohozyaystvennoy akademii. 2021. № 2 (54). S. 46–53.
9. Voloshin E.I., Ivchenko V.K., Kolichenko A.A. Osobennosti nakopleniya rastitel'nyh ostatkov yarovoy pshenicy na gosudarstvennyh sortouchastkah Krasnoyarskogo kraya // Vestnik KrasGAU. 2021. № 6. S. 47–57.
10. Keler V.V., Hizhnyak S.V. Aspekty povysheniya produktivnosti i rentabel'nosti proiz¬vodstva zerna yarovoy pshenicy v Kras¬noyarskom krae // Vestnik KrasGAU. 2019. № 6. S. 28–34.
11. Dynamics of soil Mikrobial Communities below the Seedbed under Two Contrasting Tillage Regimes / F. Degrune [et al.] // Front Micro-biol. 2017. № 8: 1127. P. 15.
12. Effects of Independent and Combined Water Deficit and High-Nitrogen Treatments on Flag Leaf Proteomes during Wheat Grain Deve-lopment / D. Zhu [et al.] // Int J. Mol Sci. 2020. № 8: 1127, P. 15.
13. Sapega V.A., Tursumbekova G.Sh. Urozhaynost', ekologicheskaya plastichnost' i stabil'nost' sortov yarovoy myagkoy i tverdoy pshenicy v yuzhnoy lesostepi Tyumenskoy oblasti // Agrarnaya nauka Evro-Severo-Vostoka. 2020. № 21 (2). S. 143–123.
14. Romanov V.N., Demidenko G.A., Druzhinin A.G. Primenenie intensivnoy tehnologii vozdelyvaniya yarovoy pshenicy v usloviyah Krasnoyarskoy lesostepi // Vestnik KrasGAU. 2021. № 4. S. 21–26.
15. Svirina V.A., Artyuhova O.A. Azotnyy rezhim i biologicheskaya aktivnost' pochvy pod vliyaniem izvestkovaniya i udobreniy // Plodorodie. 2019. № 5 (110). S. 11–14.
16. Water Regime and Nitrogen Management to Cope with Wheat Yield Variavility under the Mediterranlan Conditions of Southern Portugal / M. Patanita [et al.] // Plants. 2019. 8(10): 429. P. 15.
