Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Эффективность использования технического и биологического азота под яровую пшеницу на черноземе выщелоченном в лесостепи Приобья

ВАК РФ 06.01.04, Агрохимия

Автореферат диссертации по теме "Эффективность использования технического и биологического азота под яровую пшеницу на черноземе выщелоченном в лесостепи Приобья"



На правах рукописи

Бащук Александр Геннадьевич

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО И БИОЛОГИЧЕСКОГО АЗОТА ПОД ЯРОВУЮ ПШЕНИЦУ НА ЧЕРНОЗЕМЕ ВЫЩЕЛОЧЕННОМ В ЛЕСОСТЕПИ ПРИОБЬЯ

06.01.04 - агрохимия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

СЗОЕ3 2011

Новосибирск-2011

4843642

Работа выполнена в Сибирском научно-исследовательском земледелия и химизации сельского хозяйства Российской сельскохозяйственных наук (ГНУ СибНИИЗиХ Россельхозакадемии)

институте академии

Научный руководитель:

доктор биологических наук Шарков Иван Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук Маслова Ирина Яковлевна

кандидат биологических наук Широких Петр Степанович

Ведущая организация:

Алтайский научно-исследовательский институт сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук, г. Барнаул.

Защита состоится 17 февраля 2011 г. в 14 ч. на заседании диссертационного совета Д 003.013.01 при Институте почвоведения и агрохимии СО РАН по адресу: 630099, Новосибирск, ул. Советская, 18, ИПА СО РАН, тел./факс (383) 222-76-52.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института почвоведения и агрохимии СО РАН. Автореферат размещен на официальном сайте ИПА СО РАН -http://soilsib.nsc.ru.

Отзывы на диссертацию и автореферат просим направлять по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан 14 января 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

Актуальность темы. Азот наиболее часто лимитирует урожайность небобовых культур на старопахотных почвах, в том числе черноземах. Такие почвы характеризуются сравнительно низким содержанием лабильного органического вещества - итог длительного (десятки лет) использования их при экстенсивных технологиях возделывания культур в севооборотах с большой долей чистого пара. Основным средством повышения урожайности культур и плодородия таких почв являются минеральные и органические удобрения. Однако в сложившихся в стране условиях применение удобрений сильно ограничивается экономическими причинами, в своей основе порождаемыми относительно низкой ценой сельскохозяйственной продукции. В частности, для получения стабильной прибыли от применения минеральных азотных удобрений необходимо обеспечивать окупаемость их прибавкой урожая зерна на уровне 7-10 кг/кг азота, что для богарного земледелия лесостепной зоны является достаточно сложной задачей. Другим, также традиционным источником улучшения азотного питания культур является биологический азот - фиксируемый из атмосферы почвенными микроорганизмами. Наиболее значительные резервы имеются в использовании азота, фиксируемого клубеньковыми микроорганизмами в посевах бобовых культур. Еще Д.Н.Прянишников [1953] отмечал, что для земледельцев этот азот, по сути, является даровым. Однако это справедливо лишь в отношении «работы» азотфиксирующих микроорганизмов. Само же возделывание бобовых культур требует определенных затрат, связанных с посевом, уходом, заделкой биомассы в почву и др. Поэтому выбор наиболее целесообразного источника улучшения азотного питания культур в тех или иных условиях требует проведения сравнительных исследований эффективности этих источников как с агрохимических, так и экономических позиций.

Цель исследований - дать комплексную оценку влияния биологического (симбиотического) и технического (минерального удобрения) азота на урожайность яровой пшеницы на черноземе выщелоченном в условиях лесостепи новосибирского Приобья.

Задачи исследований:

1. Определить размеры азотфиксации бобовыми культурами (клевер красный, одно- и двухлетний донник, викоовсяная смесь);

2. Сравнить коэффициенты использования пшеницей азота из биомассы бобовых культур и аммиачной селитры;

3. Оценить влияние биологического и технического азота на урожайность яровой пшеницы;

4. Исследовать основные факторы, определяющие урожайность яровой пшеницы в севообороте после чистого и сидерального (викоовсяного) пара;

5. Дать сравнительную экономическую оценку влияния биологического и технического азота на урожайность яровой пшеницы.

Научная новизна. Впервые в лесостепи Приобья проведено комплексное исследование эффективности использования технического и биологического азота, включающее: 1) оценку фиксации азота бобовыми культурами, 2) опреде-

ление коэффициентов использования азота из биомассы культур и аммиачной селитры, 3) определение прибавок урожая пшеницы от этих источников азота, 4) сравнительную оценку экономического эффекта от применения технического и биологического азота под яровую пшеницу.

Установлено положительное влияние ежегодной инокуляции семян бобовых ризоторфином даже при повторном (на следующий год) посеве на одном и том же поле. Исследованы основные факторы формирования урожая яровой пшеницы в зернопаровом севообороте при замене чистого пара сидеральным. Показано, что для формирования высокого урожая яровой пшеницы важно обеспечить оптимальные условия (обеспеченность азотом, низкая засоренность) произрастания в начальный период вегетации. Предложен новый подход, позволяющий дать сравнительную экономическую оценку эффективности использования культурой биологического и технического азота.

Защищаемые положения:

1. Эффективным приемом увеличения азотфиксирующей способности бобовых культур в лесостепи Приобья является обработка семян штаммами активных микроорганизмов. Значительный положительный эффект от ежегодной инокуляции семян однолетнего донника азотфиксирующими микроорганизмами прослеживается даже при повторном (на следующий год) посеве этой культуры на одном и том же поле.

2. В условиях лесостепи Приобья на черноземе выщелоченном замена в 3-польном зернопаровом севообороте чистого пара сидеральным не приводит к существенному ухудшению влагообеспеченности яровой пшеницы.

3. Ухудшение условий произрастания яровой пшеницы (дефицит азота, высокая засоренность) в начальный период развития приводит к снижению или ограничению роста ее урожайности даже в том случае, если в дальнейшем эти условия становятся благоприятными.

Научная и практическая значимость работы. Результаты исследований дополняют и конкретизируют имеющиеся сведения об эффективности биологического и технического азота в зернопаровых севооборотах на черноземах Западной Сибири. Предложенный подход к оценке экономической эффективности использования азота из этих двух источников позволяет определять целесообразность замены технического азота азотом биологическим в зависимости от уровня цен на минеральные азотные удобрения. Результаты исследований могут быть использованы непосредственно в хозяйствах и научно-исследовательских учреждениях при разработке рекомендаций по повышению эффективности применения азотных удобрений, а также в учебном процессе в ВУЗах и организациях, занятых повышением квалификации специалистов АПК.

Вклад автора. Автор принимал участие в разработке программы исследований, им осуществлялись закладка и проведение экспериментов, интерпретация полученных данных, подготовка и публикация основных положений диссертации.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на ученых советах ГНУ СибНИИЗиХ Россельхозакадемии, международном семинаре по

прецизионным методам ведения сельского хозяйства (г. Новосибирск, НГАУ, 2007 г.), международной научно-практической конференции молодых ученых (г. Новосибирск, СО Россельхозакадемии, 2008 и 2010 гг.), заседании президиума СО Россельхозакадемии (2009 г.), всероссийской научной конференции «Проблемы экологии агроэкосистем: пути и методы их решения» (г. Новосибирск, НГАУ, 2009 г.), международном молодежном инновационном форуме ИНТЕРА (г. Новосибирск, 2010 г.), Ковалевских молодежных чтениях (Новосибирск, ИПА СО РАН, 2010 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе две в изданиях, включенных в список ВАК РФ (журналы «Сибирский вестник-сельскохозяйственной науки» и «Вестник КрасГАУ»), По результатам исследований получен патент № 2009131430/15(043964) "Способ оценки усвояемого растениями минерализовавшегося почвенного азота в полевых условиях".

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 126 страницах компьютерного текста, содержит 23 таблицы, 5 рисунков и состоит из введения, 6 глав, выводов и приложений. Список литературы включает 210 источников.

Глава 1. Основные источники азотного питания растений в современных лгроценозах

В данной главе представлен обзор литературы, посвященной вопросам азотного питания растений и источникам азота в агроценозах [Турчин, 1936, 1943; Прянишников, 1945, 1962; Кочергин, 1956; Трепачев и соавт., 1966, 1967, 1971; Смирнов, 1970; Мишустин, 1972; Посыпанов, 1972, 1991; Блэк, 1973; Сапожников, 1973; Гамзиков, 1975, 1981; Кореньков, 1976; Петербургский, 1979; Неклюдов, 1980; Бурлакова, 1984; Базилинская, 1985, 1989; Кудеяров и соавт., 1986, 1990; Умаров 1986; Барбер, 1988; Довбан, 1990, 2009; Берзин, 2002; Ники-тишен, 2002; Чупрова, 2006; Семенов, 2007; Шотт, 2007; Лукин, 2009; и др.].

Показано, что основным источником азотного питания для растений является почвенный азот. Однако резервы почвенного азота часто являются недостаточными для полного удовлетворения им потребностей культур, что приводит к снижению их продуктивности. В таких условиях первостепенной задачей земледелия является эффективное устранение азотного дефицита за счет дополнительных источников азота. Основными дополнительными источниками азотного питания растений являются технический азот (минеральные удобрения) и биологический (атмосферный азот, вовлеченный в биологический круговорот азот-фиксирующими микроорганизмами). Подчеркнуто, что условия эффективного использования дополнительных источников азота для увеличения продуктивности зерновых существенно различаются, что связано в основном с особенностями их превращения в почве. Сделан вывод, что проблема эффективного использования в земледелии биологического и технического азота достаточно многогранна и для ее решения требуются комплексные (системные) исследования, включающие не только агрохимическую, но и экономическую оценку данных источников азотного питания культур.

Глава 2. Объекты и методы исследования

Исследования проводили в 2007-2009 гг. в лабораторном, 3-х вегетацион-но-полевых, микрополевом, мелкоделяночном и стационарном полевом опытах. Полевые опыты были заложены в центрально-лесостепном Приобском агроландшафтном районе (в 20 км от г. Новосибирска) на землях опытных полей ГНУ СибНИИЗиХ.

В лабораторном опыте изучали особенности минерализации в почве азота биомасс донника, клевера, викоовсяной смеси, которые вносили в измельченном воздушно-сухом состоянии по 3 г/кг (из расчета 6 т/га для слоя 0-20 см). Почву увлажняли до 60% от ПВ и инкубировали в термостате при 25°С в течение 720 дней, периодически отбирая образцы для определения нитратного азота.

В первом вегетационно-полевом опыте определяли размеры фиксации атмосферного азота клевером красным, донником двухлетним и викоовсяной смесью. Во втором - оценивали влияние инокуляции семян однолетнего донника ризоторфином на размеры азотфиксации. Для этого семена однолетнего донника перед посевом обрабатывали ризоторфином и ризоторфином с добавлением молибдена (аммоний молибденовокислый) из расчета 20 г Мо на гектарную норму семян. В третьем вегетационно-полевом опыте исследовали действие и последействие аммиачной селитры и биомасс бобовых на урожай яровой пшеницы и потребление ею азота удобрений из почвы. Опыты представляли собой сосуды без дна размером 30 х 30 х 30 (см), ограниченных с боков полиэтиленовой пленкой, которые набивали пахотной почвой из слоя 0-30 см при плотности 1 г/см^. Сосуды располагали на залежном участке, чтобы исключить потребление растениями азота из нижележащих горизонтов (предварительные определения показали, что в профиле почвы на таких участках нитраты полностью отсутствуют). Количество фиксированного бобовыми азота определяли по разнице выноса ими элемента со злаковыми культурами [Трепачев, 1971]. Контролем для учета выноса почвенного азота клевером и двухлетним донником служил кострец безостый, викоовсяной смеси - овес, однолетним донником - яровая пшеница. При изучении действия и последействия удобрений на урожайность пшеницы аммиачную селитру вносили в слой почвы 0-15 см из расчета 40, 80 и 120 кг N /га, биомасс донника, клевера и вико-овса - 6 т/га воздушно-сухого вещества. Коэффициенты использования азота растениями пшеницы из биомассы культур и аммиачной селитры оценивали разностным методом на фоне с ежегодным внесением Р60К60.

В мелкоделяночном опыте (размер делянок 25 м х 4 м) оценивали влияние ежегодной инокуляции семян однолетнего донника смесью ризоторфина и молибдена на биомассу и потребление азота при повторном посеве однолетнего донника на одном и том же поле в течение 2 лет.

В микрополевом опыте (размер делянок 1,5 м х 1,5 м) оценивали влияние сорняков на продуктивность пшеницы при уничтожении их гербицидной обработкой в фазу кущения. Разные уровни засоренности в посеве пшеницы создавали путем подсева смеси семян овса и гречихи в соотношении 1:1. Для этого

сразу после посева сеялкой яровой пшеницы из расчета 6 млн. всхожих семян на

1 га на поле были выделены делянки размером 1,5 х 1,5 (м), на которых в этот же день (вручную) подсевали семена овса и гречихи перпендикулярно рядкам пшеницы на глубину 3 см. Всего было создано 4 уровня засоренности - 0, 15,30 и 60 % в сумме семян овса и гречихи от количества высеянных семян пшеницы. Микрополевой и мелкоделяночный опыты заложены на окультуренной серой лесной среднесуглинистой почве с содержанием гумуса в слое 0-20 см 2,7 %, хорошо обеспеченной подвижными соединениями Р202 и К20 с рНсол. 6,8.

В стационарном полевом опыте изучали факторы, влияющие на урожайность яровой пшеницы после чистого и сидерального пара. Опыт заложен в 2001 г. и включает зернопаровые севообороты (пар - пшеница - пшеница) с различными вариантами использования парового поля: 1) чистый пар, 2) сидеральный пар. В качестве сидеральной культуры использовали викоовсяную смесь с соотношением растений вики и овса 1 : 3. Опыт включал три уровня применения удобрений: 1) У0 - без применения удобрений; 2) У2 - в паровом поле 60 кг/га Р205, первая пшеница - N40, вторая пшеница - N80. Основная обработка почвы - ежегодная вспашка плугом на глубину 25-27 см. Почва - чернозем выщелоченный среднесуглинистый, использовавшийся длительное время (десятки лет) в пашне. Содержание гумуса - 5,5 %, - 0,30 %, Р205 и К20 по Чирикову - 29 и 18 мг/100 г почвы соответственно, рН - нейтральная. Эту же почву использовали в лабораторном и вегетационно-полевых опытах.

Температура воздуха в июне и июле 2007 г. соответствовала среднемно-голетнему значению (18,2 и 17,8 °С соответственно). В 2008 г. она была на 1,2 °С выше, а в 2009 г. - на 1,6 °С ниже среднемноголетней величины. По количеству осадков 2007 г. и 2009 г. были умеренно переувлажненными, 2008 г. - умеренно дефицитным (в сумме за июнь и июль выпало соответственно 183, 165 и 90 мм, среднемноголетний показатель - 116 мм).

Содержание общего азота в растительных образцах определяли по Кьельдалю, нитраты в почве - с помощью ионоселективного электрода или усовершенствованным дисульфофеноловым методом (Иодко, Шарков, 1992), влажность почвы - термостатно-весовым методом. Корни отмывали слабой струей воды на сите с диаметром ячейки 0,5 мм после замачивания почвы в течение 1-2 часов. Статистическая обработка результатов исследований выполнена с помощью пакета прикладных программ "Снедекор" [Сорокин, 1999].

Глава 3. Размеры снмбиотической азотфиксацни некоторых бобовых культур

В вегетационно-полевом опыте № 1 было установлено, что в сумме за

2 года вегетации азотфиксирующая способность донника и клевера была близкой - 36,8 и 39,3 г Мм2 соответственно. Азотфиксация в посеве вико-овса составляла 11,4 г Мм2 в год [Бащук, 2008]. Коэффициент азотфиксации был существенно больше в посевах донника и клевера (в среднем 77 %) в сравнении

с викоовсяной смесью (54 %). Основная часть фиксированного азота (85-95 %) обнаружена в надземной части растений (табл. 1).

Таблица 1. Симбиотическая азотфиксация в посевах бобовых культур

Вариант опыта Вынос азота, г/м2 Количество фиксированного азота, г/м2 Коэффициент азотфиксации, %

надземной биомассой корнями

В сумме за два года жизни (2007+2008 гг.)

Донник двухлетний 45,4 2,9 36,8 76

Клевер красный 44,0 6,8 39,3 77

Кострец (контроль 1) 8,3 3,2 - -

НСР 05 3,2 1,2

За один год жизни (2007 г.)

Викоовсяная смесь 20,3 1,0 11.4 54

Овес (контроль 2) 9,6 0,3 - -

НСР 05 4,2 1,5

При этом эффективным приемом, увеличивающим фиксацию азота из воздуха, является обработка семян бобовых культур штаммами активных азотфиксирующих микроорганизмов [Бащук, 2009]. Так, в вегетационно-полевом опыте № 2 инокуляция семян однолетнего донника ризоторфином и ризоторфином с добавлением молибдена увеличивала количество фиксированного микроорганизмами азота в 1,6-1,8 раза, что сопровождалось ростом надземной биомассы однолетнего донника в 1,4-1,5 раза относительно неинокулированного варианта (табл. 2).

Таблица 2. Влияние инокуляции семян однолетнего донника ризоторфином на азотфиксирующую способность (предшественник зерновые)

Вариант опыта Надземная биомасса, возд. сух. в-во, г/м2 Вынос азота, г/м2 Количество фиксированного из атмосферы азота, г/м2

Пшеница (контроль) 447 3,5 -

Донник без инокуляции 625 8,1 4,6

Донник + ризоторфин 904 11,0 7,5

Донник + ризоторфин + молибден 910 11,6 8,1

НСР 05 137 2,2

Не вызывает сомнения целесообразность инокуляции клубеньковыми микроорганизмами семян бобовых культур, которые ранее на данной территории не произрастали, а также бобовых культур, которые длительное время (10-15 лет) не выращивали на данном поле. Спорным является вопрос о необходимости инокуляции семян бобовой культуры, если она недавно уже произрастала на данном поле. Этот вопрос представляется важным, поскольку в корот-коротационных севооборотах бобовая культура может занимать одно и то же поле через 2-4 года.

С целью получения на него ответа в 2008 г. поле засеяли семенами донника, инокулированные ризоторфином с добавлением молибдена, а в 2009 г. это поле поделили на делянки. Одну часть делянок засеяли неинокулированными ; семенами донника, а другую - семенами донника, инокулированными ризоторфином с добавлением молибдена. Результаты показали, что положительный эффект от ежегодной инокуляции семян однолетнего донника прослеживался даже тогда, когда эта культура выращивалась на одном и том же поле два года подряд [Бащук, 2010]. Под влиянием повторной (на следующий год) инокуляции семян смесью ризоторфина и молибдена надземная биомасса однолетнего донника и потребление растениями азота увеличились примерно на 16 % - соответственно на 130 г/м2 и 1,9 г/м2 (табл. 3).

Таблица 3. Влияние инокуляции семян однолетнего донника ризоторфином с молибденом на надземную биомассу и потребление азота растениями при повторном выращивании данной культуры на одном и том же поле

Вариант Дата отбора растительных образцов в 2009 г.

18.08 | 25.08 | 01.09 | 08.09 | 22.09 | 06.10

Надземная биомасса, г/м' возд. сух. в-ва

Донник без инокуляции (контроль) 583 593 692 740 831 875

Донник + ризоторфин + молибден 726 741 821 885 947 977

НСР о. 122 61 64 107 56 67

Вынос азота надземной биомассой, г/мг

Донник без инокуляции (контроль) 9,7 9,3 9,3 10,2 12,1 12.6

Донник + ризоторфин + молибден 12,1 11,6 11,0 12,2 13.8 14,1

НСР 05 2,0 1,0 0,9 1,5 0.9 1.0

Таким образом, бобовые культуры способны фиксировать достаточно большое количество атмосферного азота, существенно пополняя фонд усвояемых растениями соединений данного элемента в агроценозе. Эффективным приемом увеличения размеров азотфиксирующей способности бобовых является инокуляция семян азотфиксирующими микроорганизмами. При этом значительный положительный эффект от ежегодной инокуляции семян однолетнего донника прослеживается даже при повторном (на следующий год) посеве данной культуры на одном и том же поле.

Глава 4. Влияние технического и биологического азота на урожайность яровой пшеницы

Для исследования особенностей превращения в почве азота, содержащегося в растительной биомассе различных бобовых культур, был заложен длительный лабораторный опыт. В почву вносили одинаковое количество биомассы вико-овса, клевера и донника (содержание общего азота изменялось в пределах 1,6-1,9 %) и инкубировали в течение 720 дней при оптимальных гидротермических условиях. Обнаружены следующие особенности разложения этих веществ: 1) биомасса викоовсяной смеси характеризовалась наибольшей скоростью

высвобождения азота; 2) биомасса донника разлагалась более стабильно в сравнении с биомассой клевера, но значительно медленнее биомассы вико-овса; 3) для биомассы клевера было характерно сравнительно медленное разложение в начальный период (первые 60 дней) и более быстрое - в последующем.

По нашему мнению, такие закономерности разложения растительной биомассы в почве были обусловлены различиями химического состава биомассы, т.е. содержанием легкоминерализуемых (белки, углеводы) и трудноминерали-зуемых (лигнин, липиды, воск и др.) соединений.

Подобный опыт (вегетационно-полевой № 3) был проведен нами и в естественных условиях. В нем изучали действие и последействие биомасс бобовых и аммиачной селитры на урожай яровой пшеницы и использование ею азота из этих удобрений (табл. 4).

Таблица 4. Влияние аммиачной селитры и биомасс бобовых на урожай зерна пшеницы и коэффициент использования азота растениями

Посту- Урожайность зерна, г/м Коэффициент использования

Вариант пило в азота из удобрений, %

опыта почву N дейст- 1 год 2 год в дейст- 1 год 2 год в

с удоб- вие после- после- сумме вие после- после- сумме

рением, дейст- дейст- заЗ дей- дейст- заЗ

г/м2 вия вия года ствия вия года

Контроль РбОКбО-фон 0 236 100 70 406 - - -

Фон+ N40 4 328 121 102 551 66 18 25 109

Фон+ N80 8 419 132 109 660 61 11 15 87

Фон+ N120 12 513 133 121 766 68 9 10 87

Фон + биомасса донника 9,6 249 126 125 500 4 7 16 27

Фон + биомасса клевера 10,8 230 152 135 517 - 18 17 35

Фон + био-

масса вико- 11,4 293 193 133 619 14 21 16 51

овса

НСР05 26 44 45

Закономерности высвобождения азота из биомасс бобовых, полученные в лабораторных условиях, и их влияние на повышение урожайности пшеницы в данном вегетационно-полевом опыте были сходными. Например, в сумме за 3 года наибольшая прибавка урожая от растительной биомассы и максимальный коэффициент использования азота были зарегистрированы на варианте с внесением в почву биомассы вико-овса - наиболее быстро разлагающегося материала. Следовательно, продуктивность пшеницы зависела от скорости разложения и высвобождения азота из внесенных в почву биомасс бобовых культур.

В этом опыте с растительной массой бобовых в почву поступало азота примерно столько же, сколько с аммиачной селитрой в дозах N90 - N120, но прибавка урожая зерна от биомасс была 1,2-3,7 раза меньше, чем от минерального удобрения (см. табл. 4). Причина этого заключалась в значительно большей доступности

растениям пшеницы азота селитры. Основное его количество (60-70 %) растения пшеницы использовали в первый год, тогда как азот растительной биомассы значительно больше использовался во второй и третий годы [Башук 2008; 2009].

Результаты лабораторного и вегетационно-полевых опытах, характеризующие бобовые культуры как источники азота для других растений, были использованы нами для объяснения особенностей формирования урожая пшеницы в стационарном полевом опыте при замене чистого пара на сидеральный (викоовсяной) пар.

Введение в структуру зернопарового севооборота (пар-пшеница-пшеница) сидерального пара увеличивало поступление в почву органического вещества на 9,8 т/га и азота на 196 кг/га с биомассой вико-овса относительно чистого пара. За счет фиксации азота воздуха растениями вики в почву сидерального пара дополнительно поступало около 100 кг М/га. Несмотря на это, существенного увеличения урожайности пшеницы под влиянием сидерального пара не происходило. В то же время азот аммиачной селитры достоверно увеличивал урожай зерна пшеницы примерно на 0,5 т/га как после чистого, так и сидерального пара. Данное несоответствие во влиянии на продукционный процесс пшеницы азота аммиачной селитры и растительной биомассы явилось поводом для более детального исследования факторов, определяющих урожайность этой культуры при замене в 3-польном севообороте чистого пара на сидеральный пар (табл. 5).

Таблица 5. Поступление в почву азота с биомассой викоовсяной смеси и ее влияние на урожайность пшеницы в стационарном полевом опыте (в среднем за 2007-2009 гг.)

Вариант использования парового поля в севообороте Поступило в почву пара с биомассой вико-овса Урожайность пшеницы, т/га

1-я после пара 2-я после пара

воздушно-сухого вещества, т/га азота N0 N40 МО N80

всего в т.ч. за счет симбиотической азотфиксации

Чистый пар - - - 3,71 4,17 3,53 3,96

Сидеральный пар 9.8 196 106 3,86 4,22 3,38 3,90

НСР 05 0,24 0,21 0,26 0,40

Таким образом, в вегетационно-полевом опыте под влиянием биомассы бобовых культур значительно увеличивался урожай зерна пшеницы. При этом прибавка урожая и коэффициент использования азота из растительной биомассы зависели от скорости ее разложения в почве. При внесении в почву одинакового количества азота с растительной биомассой и аммиачной селитрой суммарная за 3 года прибавка зерна от минерального удобрения была значительно больше. Причина этого заключалась в существенно меньшей доступности растениям азота из биомассы в сравнении с минеральным удобрением. Замена в стационарном полевом опыте чистого пара сидеральным обеспечивала дополнительное поступление в почву достаточно большого количества биомассы, однако это

не сопровождалось увеличением урожайности ни первой, ни второй пшеницы севооборота.

Глава 5. Влияние чистого и сидерального пара на засоренность, запасы продуктивной влаги и азотный режим почвы в посевах яровой пшеницы

Чтобы ответить на вопрос, почему под влиянием сидерального пара не обеспечивалось повышение урожая яровой пшеницы (см. табл. 5), нами исследовались различия в основных факторах (засоренность, обеспеченность растений влагой и азотом), которые могли влиять на продуктивность пшеницы при замене чистого пара сидеральным.

Замена чистого пара сидеральным приводила к 3-кратному увеличению количества сорняков в фазу кущения пшеницы [Бащук, 2008]. Однако их удельная масса была небольшой (намного меньше 10), поэтому они не могли оказывать существенного влияния на урожайность пшеницы. После обработки гербицидами засоренность посевов пшеницы после чистого и сидерального пара была и вовсе несущественной. Поэтому нет оснований полагать, что в стационарном полевом опыте сорняки после сидерального пара могли ограничивать рост урожайности пшеницы в сравнении с чистым паром (табл. 6).

Таблица 6. Засоренность первой и второй пшеницы после чистого и сидерального пара в стационарном опыте в 2009 г.

Вариант использования парового поля Срок отбора Общее кол-во сорняков, шт./м2 Биомасса, возд. сух.в-во, г/м2 Удельная масса сорняков в фитоценозе, %

сорняков | пшеницы

Пшеница после пара

Чистый пар В кущение пшеницы (перед обработкой гербицидами) 83 1,3 75,3 2

Сидеральный пар 258 3,4 59,3 5

Пшеница после пшеницы

Чистый пар 53 1,0 65,3 2

Сидеральный пар 151 | 2,8 69,3 4

Колошение-цветение (через 35 дней после обработки гербицидами) Пшеница после пара

Чистый пар 51 4,9 686,0 1

Сидеральный пар 49 3,7 644,7 1

Пшеница после пшеницы

Чистый пар 24 4,4 678,7 1

Сидеральный пар 31 2,1 626,0 0

Вторым фактором, способным по-разному влиять на урожайность пшеницы после чистого и сидерального пара, является режим влажности почвы в течение вегетационного периода. К моменту посева первой и второй пшеницы после чистого и сидерального пара в почве содержалось примерно одинаковое количество продуктивной влаги. Это означает, что потребленная викоовсяной смесью

влага практически полностью восполнялась в осенне-зимне-весенний период до уровня чистого пара (табл. 7).

Таблица 7. Запасы продуктивной влаги в слое почвы 0-100 см перед посевом первой и второй пшеницы после пара, мм

Вариант использования парового поля в севообороте 2007 г. 2008 г. 2009 г. Среднее за 2007-2009 гг.

Первая пшеница после пара

Чистый пар 163 148 157 1 156

Сидеральный пар 160 204 136 1 167

Вторая пшеница после пара

Чистый пар 147 176 143 | 155

Сидеральный пар 149 181 148 159

К тому же динамика запаса продуктивной влаги в слое почвы 0-40 см под посевами пшеницы в период вегетации не зависела от варианта использования парового поля и описывала одну и ту же закономерность. Максимальное содержание влаги в почве было весной и постепенно снижалось по мере развития пшеницы. Следовательно, влагообеспеченность посевов пшеницы при различных вариантах использования парового поля была примерно одинаковой, поэтому и этот фактор не мог существенно лимитировать рост урожайности пшеницы после сидерального пара в сравнении с чистым паром.

Третьим из исследованных факторов являлся азотный режим почвы в посевах пшеницы. Несмотря на то, что в почву сидерального пара с биомассой ви-ко-овса дополнительно поступал биологический азот, максимальные весенние запасы нитратов в слое почвы 0-100 см были после чистого пара и составляли в среднем за 3 года 173 кг/га. Это было примерно в 2 раза больше, чем после сидерального пара. Стартовые запасы нитратного азота под второй пшеницей после чистого и сидерального пара несколько варьировали по годам, но в среднем были одинаковыми (табл. 8).

Таблица 8. Стартовые запасы N-N03 в слое почвы 0-100 см, кг/га

Вариант использования парового поля в севообороте 2007 г. 2008 г. 2009 г. Среднее за 2007-2009 гг..

Первая пшеница после пара

Чистый пар 165 186 169 173

Сидеральный пар 106 102 90 99

Вторая пшеница после пара

Чистый пар 54 33 126 71

Сидеральный пар 60 38 117 72

Несмотря на большие различия в стартовых запасах нитратов в почве (см. табл. 8), максимальный вынос азота растениями пшеницы (в фазу молочной спелости) после чистого и сидерального пара был близким (табл. 9).

Таблица 9. Потребление азота растениями первой и второй пшеницы после пара по фазам развития (в среднем за 2007-2009 гг.), кг Ы/га

Вариант Кущение Выход в Колошение Молочная Полная

использования трубку спелость спелость

парового поля

Первая пшеница после пара

Чистый пар 35 88 114 190 163

Сидеральный пар 37 93 101 185 151

НСР05 3 7 9 11 9

Вторая пшеница после пара

Чистый пар 32 55 100 154 139

Сидеральный пар 31 86 109 181 136

НСР 05 3 6 8 11 13

Причина этого проясняется результатами расчета количеств азота текущей минерализации (ТМт.м.), то есть усвояемых растениями соединений азота, образовавшихся в почве в период вегетации пшеницы. Так, участие азота текущей минерализации в азотном питании первой пшеницы после чистого пара в среднем составляло лишь 17 % (табл. 10). Это означает, что формирование урожая пшеницы после чистого пара происходило в основном за счет больших стартовых запасов нитратов и слабо зависело от величины №.м. Долевое участие №.м. в азотном питании первой пшеницы после сидерального пара было значительно больше - в среднем 51 % от выноса элемента растениями. Следовательно, обеспеченность азотом первой пшеницы после сидерального пара практически в равной степени зависела как от стартового содержания нитратов в почве, так и от количества Ыт.м.

Таблица 10. Количество азота текущей минерализации в почве и его участие в азотном питании первой пшеницы после пара (в среднем за 2007-2009 гг.)

Вариант использования парового поля Вынос азота растениями, кг/га №\м., кг/га Доля №\м. в выносе элемента растениями пшеницы, %

Чистый пар 190 34 17

Сидеральный пар 185 95 51

Таким образом, неодинаковый вклад стартовых запасов азота и азота текущей минерализации в азотном питании пшеницы - наиболее существенное различие в факторах формирования урожайности данной культуры после чистого и сидерального пара. Можно полагать, что в начальный период развития растения пшеницы после чистого пара были значительно лучше обеспечены азотом в сравнении с растениями после сидерального пара. Следовательно, менее благоприятные условия азотного питания растений в начальный период вегетации - основная причина, ограничившая рост урожая зерна пшеницы после сидерального пара, несмотря на дополнительное поступление биологического азота в почву на данном фоне.

Аналогичный эффект неблагоприятного влияния на продуктивность пшеницы негативных условий произрастания в начальный период вегетации обнаружен нами в специальном микрополевом опыте. В нем, как уже отмеча-

лось, искусственно были сформированы разные уровни засоренности пшеницы с помощью овса и гречихи, которые были затем своевременно уничтожены герби-цидной обработкой в фазу кущения пшеницы (одновременно гербицидами обрабатывали и контроль) (табл. 11).

В варианте опыта с долей сорняков в фитоценозе в фазу кущения более 14 % зарегистрировано достоверное снижение урожая зерна (на 13 %) и выноса азота пшеницей в фазу полной спелости (на 12 %).

Таблица 11. Изменение урожая зерна и выноса пшеницей азота в уборку под влиянием сорняков, уничтоженных гербицидной обработкой в фазу кущения (микрополевой опыт, 2009 г.)

Вариант опыта Фаза кущения пше день применения ге ницы (на рбиниаов) Фаза полной спелости пшеницы

воздушно-сухая масса, г/м2 удельная масса сорняков, % удельная масса сорняков, % вынос азота зерном и соломой, г/м2 урожайность зерна, г/м2

пшеницы сорняков

Пшеница б/з сорняков (контроль) 131 0 0 0 20,8 456

Пшеница + 15 % сорняков 120 20 14 0 20,3 442

Пшеница+30% сорняков 114 36 24 0 18,2 398

Пшеница + 60 % сорняков 115 55 32 0 19,0 413

НСР05 13 0,49 1,1 31

Следовательно, ухудшение условий произрастания яровой пшеницы в начальный период вегетации, обусловленное меньшим содержанием в почве минерального (нитратного) азота, либо повышенной засоренностью посева, приводит к снижению или ограничению роста урожая зерна даже в том случае, если в дальнейшем эти условия становятся благоприятными (т.е. азотный режим улучшается за счет большей величины текущей минерализации, а сорняки полностью уничтожаются гербицидной обработкой).

Глава 6. Сравнительная экономическая оценка использования технического и биологического азота под яровую пшеницу

Суть подхода, который использовался нами для сравнительной экономической оценки применения биологического и технического азота, заключалась в следующем. Вначале, на основании результатов полевых опытов, определяется эквивалентность этих источников азота, то есть количества биологического и технического азота, которые должны поступить в почву для получения одинаковых прибавок урожая яровой пшеницы. Вывод о том, какой источник азота использовать более

выгодно, делается на основании сравнения затрат, связанных с возделыванием бобовой культуры (семена, посев, прикатывание почвы до и после посева, лущение биомассы и ее заделка в почву) и применением минеральных азотных удобрений (покупка, доставка и внесение в почву). Выгоднее использовать то удобрение, которое будет обеспечивать получение одной и той же прибавки урожая с наименьшими дополнительными затратами [Бащук, Шарков, 2009; Бащук, 2010].

Расчет показал, что в первые два года (действие + 1-й год последействия) одинаковую прибавку урожая дешевле получить при использовании аммиачной селитры, что, как уже отмечалось, обусловлено более высоким коэффициентом использования азота из этого источника в сравнении с азотом биомасс бобовых. Однако в сумме за 3 года (действие + 2 года последействия) одну и ту же прибавку урожая пшеницы дешевле получить за счет биологического азота, что связано с более низкой себестоимостью и пролонгированным влиянием на урожайность пшеницы биомассы бобовых в сравнении с аммиачной селитрой (табл. 12).

Таблица 12. Сравнение затрат на получение одинаковых прибавок урожая пшеницы от применения биологического и технического азота

Прибавка зерна пшеницы, т/га Использование биологического азота Применение аммиачной селитры Разница в затратах между биологическим и техническим азотом, руб/га

бобовая культура как источник азота поступило в почву азота с биомассой, кг/га себестоимость азота, руб./кг затраты, руб/га эквивалентная доза азота, кг/га себестоимость азота, руб./кг затраты, руб/га

В сумме за 2 года (действие + последействие 1 года)

0,39 Двухлетний донник 96 4 384 15 23 345 39

0,52 Клевер красный 108 6 648 20 23 460 188

1,50 Викоовся-ная смесь 114 13 1482 57 23 1311 171

В сумме за 3 года (действие + последействие 1 и 2 года)

0,95 Двухлетний донник 96 4 384 26 - 589 -214

1,15 Клевер красный 108 6 648 31 - 713 -65

2,15 Викоовся-ная смесь 114 13 1482 65 - 1495 -13

Так, получение в сумме за три года прибавки урожая зерна пшеницы 0,95 т/га обходилось примерно на 36 % дешевле за счет биологического азота, чем азота аммиачной селитры.

Общие выводы

1. Среднегодовая фиксация атмосферного азота клевером красным, двухлетним донником и викоовсяной смесью при выращивании их на черноземе выщелоченном в условиях лесостепи Приобья составила 197, 184 и 114 кг Ы/га соответственно. Коэффициенты азогфиксации у клевера красного и двухлетнего донника были близкими - около 70 %, у викоовсяной смеси - 54 %.

2. Инокуляция семян бобовых азотфиксирующими микроорганизмами существенно увеличивает приход атмосферного азота в почву. Значительный - примерно на 16 % - положительный эффект от ежегодной инокуляции семян однолетнего донника азотфиксирующими микроорганизмами прослеживается даже при повторном (на следующий год) посеве этой культуры на одном и том же поле.

3. Высвобождение (минерализация) азота в почве из надземной биомассы бобовых зависело от вида культуры. Наиболее быстро азот минерализовался из биомассы вико-овса, затем следовали биомассы клевера и донника.

4. В сумме за три года коэффициент использования яровой пшеницей азота из биомассы викоовсяной смеси составил 51 %, клевера красного - 35, донника двухлетнего - 27, аммиачной селитры - 94 %. Основное количество азота из минерального удобрения было использовано растениями пшеницы в год действия (65 %), из биомасс бобовых - во второй и третий годы (в среднем 32 %).

4. Под влиянием биомасс викоовсяной смеси, клевера и донника, внесенных в почву из расчета 6 т/га возд. сух. вещества, урожайность пшеницы в сумме за три года увеличилась соответственно на 52, 29 и 23 %, а от эквивалентной (по количеству азота) дозы аммиачной селитры - на 76 %.

5. Замена в условиях лесостепи на черноземе выщелоченном чистого пара на сидеральный (стационарный полевой опыт) способствовала увеличению поступления в почву органического вещества на 9,84 т/га и примерно 100 кг/га фиксированного атмосферного азота. Однако это не сопровождалось увеличением урожайности пшеницы после сидерального пара в сравнении с чистым паром.

6. Засоренность первой и второй пшеницы после сидерального пара была в 3 раза выше в сравнении с чистым паром. Однако удельная масса сорняков в общей надземной биомассе агрофитоценоза не превышала 5 %, поэтому сорная растительность не могла оказывать существенного влияння на урожайность пшеницы на этих фонах.

7. Стартовые запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы и динамика ее изменения в течение вегетационного периода под посевами первой и второй пшеницы после чистого и сидерального пара практически не различались.

8. Наибольшие стартовые запасы нитратного азота в почве - в среднем за 3 года 173 кг/га - зарегистрированы под первой пшеницей после чистого пара, что было примерно в 2 раза больше в сравнении с сидеральным паром. Неодинаковый вклад стартовых запасов азота и азота текущей минерализации в азотное питание пшеницы - наиболее существенное различие в факторах формирования урожайности данной культуры после чистого и сидерального пара. Худшая обеспеченность яровой пшеницы доступным азотом в начальный период вегетации

после сидерального пара - наиболее вероятная причина ограничения роста ее урожайности на данном фоне в сравнении с чистым паром.

9. При удельной массе сорняков в агрофитоценозе пшеницы в фазу кущения более 14 % возможно существенное уменьшение потребления растениями почвенного азота и снижение сбора зерна (на 12 %), несмотря на своевременное уничтожение сорных растений с помощью гербицидов.

10. Себестоимость 1 кг биологического азота в 2-5 раз меньше, чем азота аммиачной селитры. Однако из-за малого коэффициента усвоения пшеницей азота из растительной биомассы использование биологического азота оказывается конкурентоспособным в сравнении с азотом аммиачной селитры только при учете суммарной прибавки урожая за три года (действие + 2 года последействия).

Публикации по теме диссертации

1. Башук А.Г. Влияние способов основной обработки почвы и количества расти. тельных остатков на урожайность и засоренность яровой пшеницы // Мат-лы

Межд. семинара по прецизионным методам ведения сел. хоз-ва «Качество и точность сельскохозяйственных процессов». - Новосибирск, 2008. - С. 21-24.

2. Бащук А.Г. Сравнительная оценка фиксации азота бобовыми культурами в условиях лесостепи Приобья // Мат-лы 5 съезда ВОП имени В.В.Докучаева. - Ростов на Дону, 2008. - С. 156.

3. Бащук А.Г. К оценке азотфиксирующей способности бобовых культур в условиях лесостепи Приобья // Мат-лы Межд. научно-практ. конф. «Аграрная наука - сельскому хозяйству: сборник статей. В 3 кн». - Барнаул: Изд-во АГАУ, 2008. Кн. 1. - С. 26-28.

4. Бащук А.Г. Влияние соломы на урожайность яровой пшеницы на черноземе выщелоченном в условиях лесостепи Приобья // Труды III Межд. научно-практ. конф. молодых ученых «Новейшие направления развития аграрной науки в работах молодых ученых». - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2008. - С. 7-9.

5. Бащук А.Г. Сравнительная оценка использования азота яровой пшеницей из аммиачной селитры и биомассы сидеральных культур // Труды Межд. науч-но-практ. конф. «Развитие АПК азиатских территорий». - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2008. - С. 9-12.

6. Бащук А.Г. Оценка азотфиксации однолетним донником в лесостепи Приобья // Труды ХП-й Межд. научно-практ. конф. «Аграрная наука - сельскохозяйственному производству Казахстана, Сибири и Монголии». - Алматы, 2009.-Т.-1.-С. 46-48.

7. Бащук А.Г, Самохвалова Л.М., Прозоров A.C. Азотфиксирующая способность однолетнего донника в условиях лесостепи Приобья // Мат-лы Межд. научно-практ. конф. «Концепция и технологии земледелия в межгорных котловинах Алтае-Саянского субрегиона в условиях опустынивания и потепления климата». - Абакан, 2009. - С. 36-40.

8. Башук А.Г. Оценка азотфнксации козлятником восточным в условиях лесостепи Приобья // Мат-лы всероссийской научной конф. «Проблемы экологии агроси-стем: пути и методы их решения». - Новосибирск, 2009 - С. 12-14.

9. Бащук А.Г., Шарков И.Н. Влияние биологического и технического азота на урожайность яровой пшеницы в лесостепи Приобья // Сибирский вестник сельскохозяйственных наук, № 11, 2009 - С. 14-20.

10. Башук А.Г. Экономическая оценка влияния биологического и технического азота в повышении урожайности яровой пшеницы на черноземе выщелоченном в условиях лесостепи Приобья // Вестник КрасГАУ, № 3,2010- С. 57-63.

11. Бащук А.Г. Инокуляция семян однолетнего донника ризоторфином в лесостепи Приобья // Труды IV Межд. научно-практ. конф. молодых ученых «Новейшие направления развития аграрной науки в работах молодых ученых». - Красно-обск: ИИЦ ГНУ СибНСХБ Россельхозакадемии, 2010 - С. 27-29.

Патенты

Шарков И.Н., Бащук А.Г., Малыгин Е.А. Способ оценки усвояемого растениями минерализовавшегося почвенного азота в полевых условиях // Патент Российской Федерации на изобретение, №2009131430/15(043964) от 18.08.2009 г.

Подписано в печать 10.1» .2011 г. Формат 60><84 Ч16. Объем 1 п. л. Заказ № 1. Тираж 100 экз.

Отпечатано в ИИЦ ГНУ СибНСХБ Россельхозакадемии 630501, Новосибирская обл., пос. Краснообск

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Бащук, Александр Геннадьевич

Введение

Глава 1. Основные источники азотного питания растений в современных агроценозах.

1.1. Азот почвы.

1.2. Азот технический.

1.3. Азот биологический.

Резюме.

Глава 2. Объекты и методы исследования.

2.1. Гидротермические условия лет исследования.

2.2 Особенности проведения опытов.

2.3. Сравнительная экономическая оценка влияния биологического и технического азота на урожайность пшеницы.

Глава 3. Размеры симбиотической азотфиксации некоторых бобовых культур.

3.1 Краткая характеристика методов оценки азотфиксации бобовых культур.

3.2 Симбиотическая азотфиксация клевера красного (Trifolium pretense L.), донника двухлетнего (Melilotus officinalis Desr.), и викоовсяной смеси.

3.3. Способы увеличения размеров симбиотической азотфиксации бобовых культур.

3.3.1. Эффективность инокуляции ризоторфином семян однолетнего донника при его повторном возделывании на одном и том же поле.

Выводы.

Глава 4. Влияние технического и биологического азота на урожайность яровой пшеницы.

4.1. Особенности превращений в почве и влияния на урожайность яровой пшеницы биологического и технического азота.

4.2. Некоторые аспекты практического применения технического и биологического источников азота в земледелии.

• Выводы.

Глава 5. Влияние чистого и сидерального пара на засоренность, запасы продуктивной влаги и азотный режим почвы в посевах яровой пшеницы.

5.1. Засоренность первой и второй пшеницы после чистого и сидерального пара.

5.2. Стартовые запасы и динамика продуктивной влаги в почве в посевах первой и второй пшеницы после чистого и сидерального пара.

5.3. Азотный режим почвы и динамика потребления почвенного азота растениями первой и второй пшеницы после чистого и сидерального пара.

Выводы.

Глава 6. Сравнительная экономическая оценка использования технического и биологического азота под яровую пшеницу

Выводы.

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Эффективность использования технического и биологического азота под яровую пшеницу на черноземе выщелоченном в лесостепи Приобья"

Актуальность темы. Азот - один из основных элементов минерального питания растений. Он входит в состав всех аминокислот, из которых построена сложная молекула белка, причем его доля составляет 16-18 % от веса самого белка. Этот факт делает понятным исключительно большое значение азота для растений, так как белковые вещества являются главной составной частью клеточной протоплазмы, представляя собой материальную основу всякого жизненного процесса [Прянишников, 1952].

Основное количество азота, примерно 74-80 % от его запасов на Земле, сосредоточено в атмосфере нашей планеты и составляет 4-1015 т [Ковда, 1985]. Несмотря на то, что над каждым гектаром земной поверхности в воздухе содержится 70-80 тыс. т азота, растения непосредственно его использовать не могут, поскольку азот в атмосфере находится в молекулярном виде и растениям не доступен [Ягодин, 2001].

Основным источником азотного питания для растений является почвенный азот [Сапожников, 1973; Гамзиков, 1981; Кудеяров с соавт., 1986; Барбер, 1988]. По данным М.В. Федорова [1952], запасы азота в почвах земного шара составляют 40-50-109 т, а в среднем на 1 гектар почвы приходится 8-10 т азота. Однако около 95% почвенного азота находится в органических соединениях, которые непосредственно недоступны растениям. [Барбер, 1988]. В результате, несмотря на огромные запасы азота, потребности растений в этом элементе полностью не удовлетворяются, и они часто испытывают азотное голодание.

Д.Н. Прянишников [1953], изучив изменение урожайности зерновых в Западной Европе на протяжении 150 лет, сделал вывод, что главным условием, определяющим среднюю высоту урожая в разные эпохи, была степень обеспеченности растений азотом. Следовательно, повышение урожайности сельскохозяйственных культур связано в первую очередь с улучшением азотного питания.

Исследованию влияния азота на продуктивность культур посвящены многие работы: Ф.К. Воробьев [1940], A.B. Соколов [1944], Д.Н. Прянишников

1945, 1952, 1953], И.В: Тюрин [1965], П.М. Смирнов [1970], Ф.В. Турчин [1972], H.A. Сапожников- [1973], Д.А. Кореньков [1976], A.B. Петербургский [1979], В.Н. Кудеяров [1980], В!М. Семенов [2002, 2003] и др. В'Сибири различные аспекты этой проблемы исследовали А.Е Кочергин [1956, 1959, 1974], И.Я. Маслова, [1971], Г.П. Гамзиков [1975, 1981], И.И. Синягин [1980], A.A. Титлянова [1984], И.Н. Шарков [1992], В.В. Чупрова[1997]', В.М. Назарюю» [2002] и др.

Ими установлено, что основным источником, азотного питания'культурных растений в агроценозе является» азот почвы. Дополнительными источниками азотного питания растений являются» технический (минеральные удобрения) и биологический (атмосферный азот, вовлеченныйв биологический круговорот азотфиксирующими микроорганизмами).

В ходе неэффективного реформирования агропромышленного» комплекса РФ подавляющее большинство хозяйств оказалось в сложном материально-техническом положении. Это привело к упрощению технологий возделывания, культур, в частности, к резкому сокращению объемов применения» дорогостоящих минеральных удобрений. В результате многие хозяйства стали ориентиро ваться на более интенсивное использование питательных элементов самой почвы, возделывая зерновые культуры в короткоротационных зернопаровых севооборотах с долей чистого пара от 20 до 50 % [Берзин, 2006].

Между тем известно, что чем выше процент чистого пара в структуре пашни, тем больше потери органического вещества почвы. Интенсивная минерализация органического вещества почвы в паровом поле сопровождается потерей гумуса и особенно его-лабильной части, компоненты которой непосредственно участвуют в питании растений и создании водопрочной структуры почвы [Берзин, 2006].

В этой ситуации становится весьма актуальным вопрос о возможности частичной замены применения дорогостоящего технического азота азотом биологическим.

Способностью усваивать атмосферный азот обладают свободноживущие и симбиотические азотфиксирующие микроорганизмы. Однако потенциальные возможности симбиотических азотфиксаторов значительно5 выше, чем свобод-ноживущих [Трепачев, 1980]. Поэтому наиболее простой и доступный способ эффективного использования' биологического источника азота в агроценозе' является: замена чистого пара; на сидеральный с бобовыми культурами. Фиксированный клубеньковыми бактериями из; атмосферы азот после отмирания микробной^ плазмы? достаточно быстро* минерализуется: и способен значительно повышать обеспеченность зерновых азотом [Базилинская, 1989]. К тому же замена чистого^ пара на сидеральный позволяет уменьшить долю чистого пара до разумных пределов. V

Однако в рыночных условиях такое использование атмосферного азота будет привлекательным лишь тоща, когда для земледельцев он будет обходиться дешевле азота технического. Д.Н. Прянишников [1962]. по этому поводу писал, что «; . . азот технический всегда дороже азота клевера и навоза. В сущности, биологический путь фиксации азота воздуха является даровым: .». Тем, не менее,.замена чистого пара в зернопаровых севооборотах сидераль-ным требует определенных расходов (семена;, посев, измельчение биомассы, заделка ее в почву): Поэтому, хотя* сам процесс фиксации азота бобовыми действительно является: даровым, для земледельцев) формирование на местах «фабрик» по производству азота требует определенных финансовых затрат. К тому же можно ожидать, что в сравнении с азотом минерального удобрения действие азота, содержащегося'в растительной, массе, будет несколько! замедленным, поскольку он становится доступным растениям только после: ее минерализации в почве. Поэтому проблема замены, азота; технического азотом , биологическим не только: агрохимическая, но ив; определенной степени экономическая. •

Большой вклад в: изучение данного раздела проблемы азота в земледе-* лии внесли Е.П. Трепачев [1971], Е.Н Мишустин [1979], Г.С. Посыпанов [1985] и другие ученые. В Сибири данную проблему разрабатывали И.Я. Клевснская [1977], И.С. Родынюк [1977], A.M. Берзин [2002], В.М. Назарюк [2002], IIP. Шотт [2007] и др. Ими1 определено возможное количество биологического азота, поступающее: в агроценоз, его влияние на урожайность последующих культур в севообороте, а также разработаны способы определения эквивалентного количества биологического азота азоту техническому. Тем не менее, вопросы сравнительной ^оценки агрохимической и экономической' эффективности^ использования1 биологического и технического азота при возделывании* зерновых культур на современном этапе разработаны недостаточно. Этот аспект проблемы был определяющим в нашей работе.

Исследования проводили в лаборатории" плодородия почв ГНУ СибНИИЗиХ Россельхозакадемии в период 2007-2009 гг.

Цель — дать .комплексную оценку влияния биологического (симбиотиче-ского) т технического (минерального удобрения) азота на урожайность яровой пшеницы на черноземе выщелоченном в условиях лесостепи новосибирского Приобья.

Задачи исследований:

1. Определить размеры азотфиксации бобовыми» культурами (клевер красный, одно- и двухлетний донник, викоовсяная смесь);

2. Сравнить коэффициенты-использования! пшеницей азота из биомассы бобовых культур и аммиачной селитры;

3. Оценить влияние биологического и технического азота на урожайность яровой пшеницы;

4. Исследовать основные факторы, определяющие урожайность яровой пшеницы в севообороте после чистого и сидерального (викоовсяного)пара;

5. Дать сравнительную экономическую оценку влияния1 биологического и технического азота на урожайность яровой пшеницы.

Научная новизна. Впервые в лесостепи Приобъя проведено комплексное исследование эффективности использования технического и биологического азота, включающее: 1)? оценку фиксации азота бобовыми культурами, 2) определение коэффициентов использования азота из биомассы культур и аммиачной селитры, 3) определение- прибавок урожая пшеницы от этих источников азота, 4) сравнительную оценку экономического эффекта от применения технического и биологического азота под яровую пшеницу.

Установлено положительное влияние ежегодной инокуляции семян бобовых ризоторфином даже при повторном (на следующий год) посеве на одном и том же поле. Исследованы основные факторы формирования урожая яровой пшеницы в зернопаровом севообороте при замене чистого пара сидеральным. Показано, что для формирования высокого урожая яровой пшеницы важно обеспечить оптимальные условия (обеспеченность азотом, низкая засоренность) произрастания в начальный период вегетации.

Предложен новый подход, позволяющий дать сравнительную экономическую оценку эффективности использования культурой биологического и технического азота.

Защищаемые положения:

1. Эффективным приемом увеличения азотфиксирующей способности бобовых культур в лесостепи Приобья является обработка семян штаммами активных микроорганизмов. Значительный положительный эффект от ежегодной инокуляции семян однолетнего донника азотфиксирующими микроорганизмами прослеживается даже при повторном (на следующий год) посеве этой культуры на одном и том же поле.

2. В условиях лесостепи Приобья на черноземе выщелоченном замена в 3-польном зернопаровом севообороте чистого пара сидеральным не приводит к существенному ухудшению влагообеспеченности яровой пшеницы.

3.Ухудшение условий произрастания яровой пшеницы (дефицит азота, высокая засоренность) в начальный период развития приводит к снижению или ограничению роста ее урожайности даже в том случае, если в дальнейшем эти условия становятся благоприятными.

Научная и практическая значимость работы. Результаты исследований дополняют и конкретизируют имеющиеся сведения об эффективности биологического и технического азота в зернопаровых севооборотах на черноземах Западной Сибири. Предложенный подход к оценке экономической эффективности использования азота из этих двух источников позволяет определять целесообразность замены технического азота азотом биологическим в зависимости от уровня цен на минеральные азотные удобрения. Результаты исследований могут быть использованы непосредственно в хозяйствах и научно-исследовательских учреждениях при разработке рекомендаций по повышению эффективности применения азотных удобрений, а также в учебном процессе в ВУЗах и организациях, занятых повышением квалификации- специалистов АПК.

Вклад автора. Автор принимал участие в разработке программы исследований, им осуществлялись закладка и проведение экспериментов, интерпретация полученных данных, подготовка и публикация основных положений диссертации.

Апробация' работы. Результаты исследований докладывались на ученых советах ГНУ СибНИИЗиХ Россельхозакадемии, международном семинаре по прецизионным методам ведения сельского хозяйства (г. Новосибирск, НГАУ, 2007 г.), международной научно-практической конференции молодых ученых (г. Новосибирск, СО Россельхозакадемии, 2008 и 2010 гг.), заседании президиума СО Россельхозакадемии (2009 г.), всероссийской научной конференции «Проблемы экологии агроэкосистем: пути и методы их решения» (г. Новосибирск, НГАУ, 2009 г.), международном молодежном инновационном форуме ИНТЕРА (г. Новосибирск, 2010 г.), Ковалевских молодежных чтениях (Новосибирск, ИПАСО РАН, 2010 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано511 работ, в том числе две в издании, включенном в список ВАК РФ (журнал «Сибирский вестник сельскохозяйственной науки» и «Вестник КрасГАУ»).

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 126 страницах компьютерного текста, содержит 23 таблиц, 5 рисунков и состоит из введения, 6 глав, выводов и приложений. Список литературы включает 210 источников, в том числе 7 иностранных авторов.

Заключение Диссертация по теме "Агрохимия", Бащук, Александр Геннадьевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Среднегодовая фиксация атмосферного азота клевером красным, двухлетним донником и викоовсяной смесью при выращивании их на черноземе выщелоченном в условиях лесостепи Приобья составила 197, 184 и 114 кг N/ra соответственно. Коэффициенты азотфиксации у клевера красного и двухлетнего донника были близкими - около 70 %, у викоовсяной смеси - 54 %.

2. Инокуляция семян бобовых азотфиксирующими микроорганизмами существенно увеличивает приход атмосферного азота в почву. Значительный -примерно на 16 % - положительный эффект от ежегодной инокуляции семян однолетнего донника азотфиксирующими микроорганизмами прослеживается даже при повторном (на следующий год) посеве этой культуры на одном и том же поле.

3. Высвобождение (минерализация) азота в почве из надземной биомассы бобовых зависело от вида культуры. Наиболее быстро азот минерализовался из биомассы вико-овса, затем следовали биомассы клевера и донника.

4. В сумме за три года коэффициент использования яровой пшеницей азота из биомассы викоовсяной смеси составил 51 %, клевера красного - 35, донника двухлетнего - 27, аммиачной селитры - 94 %. Основное количество азота из минерального удобрения было использовано растениями пшеницы в год действия (65 %), из биомасс бобовых — во второй и третий годы (в среднем 32 %).

4. Под влиянием биомасс викоовсяной смеси, клевера и донника, внесенных в почву из расчета 6 т/га возд. сух. вещества, урожайность пшеницы в сумме за три года увеличилась соответственно на 52, 29 и 23 %, а от эквивалентной (по количеству азота) дозы аммиачной селитры — на 76 %.

5. Замена в условиях лесостепи на черноземе выщелоченном чистого пара на сидеральный (стационарный полевой опыт) способствовала увеличению поступления в почву органического вещества на 9,84 т/га и примерно 100 кг/га фиксированного атмосферного азота. Однако это не сопровождалось увеличением урожайности пшеницы после сидерального пара в сравнении с чистым паром. б.Засоренность первой и второй пшеницы после сидерального пара была в 3 раза выше в сравнении с чистым паром. Однако удельная масса сорняков в общей надземной биомассе агрофитоценоза не превышала 5 %, поэтому сорная растительность не могла оказывать существенного влияния на урожайность пшеницы на этих фонах.

7. Стартовые запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы и динамика ее изменения в течение вегетационного периода под посевами первой и второй пшеницы после чистого и сидерального пара практически не различались.

8. Наибольшие стартовые запасы нитратного азота в почве - в среднем за 3 года 173 кг/га - зарегистрированы под первой пшеницей после чистого пара, что было примерно в 2 раза больше в сравнении с сидеральным паром. Неодинаковый вклад стартовых запасов азота и азота текущей минерализации в азотное питание пшеницы — наиболее существенное различие в факторах формирования урожайности данной культуры после чистого и сидерального пара. Худшая обеспеченность яровой пшеницы доступным азотом в начальный период вегетации после сидерального пара — наиболее вероятная причина ограничения роста ее урожайности на данном фоне в сравнении с чистым паром.

9. При удельной массе сорняков в агрофитоценозе пшеницы в фазу кущения более 14 % возможно существенное уменьшение потребления растениями почвенного азота и снижение сбора зерна (на 12 %), несмотря на своевременное уничтожение сорных растений с помощью гербицидов.

10. Себестоимость 1 кг биологического азота в 2-5 раз меньше, чем азота аммиачной селитры. Однако из-за малого коэффициента усвоения пшеницей азота из растительной биомассы использование биологического азота оказывается конкурентоспособным в сравнении с азотом аммиачной селитры только при учете суммарной прибавки урожая за три года (действие + 2 года последействия).

Библиография Диссертация по сельскому хозяйству, кандидата биологических наук, Бащук, Александр Геннадьевич, Новосибирск

1. Авдонин Н.С. Агрохимия Учебное пособие. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1982.- 344 с.

2. Адаптивно-ландшафтные системы земледелия Новосибирской области / РАСХН. Сиб. отд-ние. СибНИИЗХим. Новосибирск, 2002.-387 с.

3. Александрова JI.H. Процессы гумусообразования в почве. Зап.Ленингр. СХИ, 1970. - Т 142. - С. 26-82.

4. Андреева Е.А. Использование растениями азотных удобрений (по данным опытов, проведенных с изотопом N15) / Е.А. Андреева, Г.М. Щеглова // Почвоведение, 1964 № 12 - С. 47-54.

5. Андреева Е.А. Использование растениями азота почвы и азота удобрения / Е.А. Андреева, Г.М. Щеглова // Агрохимия, 1966 № 10 - С. 6-19.

6. Ахметов Ш.И. Влияние средств химизации на вымывание минерального азота из выщелоченного чернозема / Ш.И. Ахметов, Н.В. Смолин // Агрохимия, 1966-№ 12-С. 3-9.

7. Базилинская М.В. Использование биологического азота в земледелии. Обзорная информация. — М., 1985. — 55 с.

8. Базилинская М.В. Биоудобрения / М.В. Базилинская. М.: Агропромиздат, 1989 а. - 128 с.

9. Базилинская М.В. Использование биологического азота в Австралии / М.В. Базилинская // Земледелие, 1989. -N2. С. 70-71.

10. Башкин В.Н. Агрогеохимия азота. — Пущино: ОНТИ НЦБИ АН СССР, 1987.- 270 с.

11. Берестецкий O.A. Биологические основы плодородия почвы / O.A. Берестец-кий, Ю.М. Возняковская, JI.M. Доросинский, Ю.В. Круглов, Г.С. Муромцев, Т.В. Тарвис, H.A. Туев, А.И. Чундерова. — М.: Колос, 1984. — 287 с. •

12. Берзин A.M. Зеленые удобрения в Средней Сибири. — Красноярский гос. Аграр. Ун-т. Красноярск, 2002. — 395 с.

13. Блэк К.А. Растение и почва / Пер. с англ. Э.И. Шконде. М.: Колос, 1973. — 503 с.

14. Богомазов Н.П. Потери биогенных элементов с инфильтрационными водами из выщелоченных черноземов в модельном опыте / Н.П. Богомазов, И.А.

15. Шильников, С.М. Солдатов, H.H. Богомазова // Агрохимия, 1993. № 9 -С.61-68.

16. Болотина Н.И. О фракции легкогидролизуемого азота в мощном черноземе, ее состав и агрохимическое значение / Н.И. Болотина // Почвоведение, 1961-№9-С. 3-9.

17. Булгакова H.H. Влияние азотного питания на продуктивность яровой пшеницы, ассимиляцию нитрата и его распределение по функциональным фондам / H.H. Булгакова, JI.C. Большакова, Н.Т. Ниловская // Агрохимия, 1996. — № 8-9-С. 15-27.

18. Бурлакова Л.М. Плодородие алтайских черноземов в системе агроценоза. -Новосибирск: Наука, 1984. 198 с.

19. Вадюнина А.Ф. Методы исследования физических свойств почв и грунтов / А.Ф. Вадюнина, З.А. Корчагина. — М.: Высшая школа, 1961. — 344 с.

20. Власенко А.Н. Урожайность зерновых, эффективность технологий возделывания и воспроизводство плодородия черноземов лесостепи Западной Сибири / А.Н. Власенко, И.Н. Шарков, JT.H. Йодко // Земледелие, 2005 № 5 - С. 16-19.

21. Власенко Н.Г. Сорные растения и борьба с ними при возделывании зерновых культур в Сибири: Методическое пособие / Н.Г. Власенко, А.Н. Власенко, Т.П. Садохина, П.И. Кудашкин / РАСХН. Сиб. отд-ние, СибНИИЗХим. -Новосибирск, 2007. 128 с.

22. Воробьев.В.А. Симбиотическая азотфиксация и температура. Новосибирск: Наука. Сиб. предприятие РАН, 1998. - 128 с.

23. Воробьев Ф.К. Поглощение растениями различно закрепленных соединений азота черноземной почвы / Ф.К. Воробьев // Питание растений азотом и некоторыми зольными элементами, 1940, а — вып. 26 — С. 159-169.

24. Воробьев Ф.К. Динамика соединений азота в почве при внесении удобрений / Ф.К. Воробьев, И.В. Мосолов // Превращение соединений азота в почве при внесении сульфата аммония: Тр / ВИУА. М.: Сельхозгиз, 1940 б. — Вып. 26. - С. 88-93.

25. Гавар С.П. Влияние сидерального удобрения на урожай зерновых культур в лесостепной зоне Омской области / С.П. Гавар, А.Р. Макаров, Б.С. Кошелев //Агрохимия, 1997—№ 12 С. 41-46.

26. Гамзиков Г.П. К вопросу о географии действия азотных удобрений в Западной Сибири / Г. П. Гамзиков // Агрохимия, 1975- № 10 — С. 3-9.

27. Гамзиков Г.П. Азотный фонд почв Западной Сибири и эффективность азотных удобрений / Г.П. Гамзиков // Автореф. дисс. . д-ра с.-х. н. Новосибирск, 1978-40 с.

28. Гамзиков Г.П. Азот в земледелии Западной Сибири. — М.: Наука, 1981. — 267 с.

29. Гамзиков Г.П. Эффективное использование удобрений под полевые культуры на почвах Западной Сибири / Г.П. Гамзиков // Агрохимические исследования в Сибири (научные основы использования и охраны земельных ресурсов Сибири). — Красноярск, 1984. — 149 с.

30. Гамзиков Г.П. Баланс и превращение азота удобрений / Г.П. Гамзиков, Г.И, Кострик, В.Н. Емельянова. — Новосибирск: Наука, 1985— 160 с.

31. Гамзиков Г.П. Агрохимические свойства почв и эффективность удобрений / Г.П. Гамзиков, В.Б. Ильин, В.М. Назарюк и др. — Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1989—254 с

32. Гармаш Н.Ю. Минерализация органических удобрений в дерново-подзолистой супесчаной почве в условиях компостирования / Н.Ю. Гармаш, А.И. Жуков // Агрохимия, 1993- № 8 С. 63-69.

33. Дарт П. Несимбиотическая азотфиксация в почве / П. Дарт, Д. Дей / Почвенная микробиология—М.: Колос, 1979. — 316 с.

34. Демкина Т.С. Динамика микробиологических параметров минерализации органического вещества в почвах / Т.С. Демкина, JI.M. Мироненко // Агрохимия, 1991-№ 8-С. 65-73.

35. Демолон А. Рост и развитие культурных растений. М.: Сельхозгиз, 1961. -163 с.

36. Державин JT.M. Эффективность азотных удобрений в различных почвенно-климатических регионах СССР (по данным полевых опытов агрохимической службы)/ JI.M. Державин //Химия в сельском хоз-ве.-1982.-Т. 20, № 9.- С. 69.

37. Державин JI.M. Удобрение яровой пшеницы в условиях сухостепной зоны. Обзорная информация / JI.M. Державин, Е.В. Седова. — М., 1984. — 48 с.

38. Довбан И.К. Зеленое удобрение. — М.: Агропромиздат, 1990. — 208 с.

39. Довбан И.К. Зеленое удобрение в современном земледелии : вопросы теории и практики. — Минск : Белорус, наука, 2009. — 404 с.

40. Доросинский JI.M. Размеры симбиотической фиксации азота бобовыми культурами и методы ее определения / JI.M. Доросинский, JI.M. Афанасьева // Изв. АН СССР, сер. биол„ 1972. — № 3. — С. 355-360.

41. Доросинский JI.M. Эффективность применения нитрагина в СССР / JI.M. Доросинский, А.П. Кожемяков // Бюллетень ВНИИСХМ. — 1981. — № 34. — С. 3-4.

42. Доросинский JI.M. Повышение продуктивности бобовых культур и улучшение их качества / JI.M. Доросинский // Минеральный и биологический азот в земледелии СССР. М.: Наука, 1985. - С. 142-150.

43. Дубиковский Г.П. Влияние различных форм клубеньковых бактерий и микроэлементов (Мо, В) на продуктивность люцерны и биологическую активность почв / Г.П. Дубиковский, Н.И. Данильчик// Агрохимия, 1992— №4-С. 38-43.

44. Егорова Е.Ф. Влияние длительного применения минеральных удобрений на потенциальную активность азотфиксации и денитрификации в серой лесной почве / Е.Ф. Егорова, В.И. Никитишен // Агрохимия, 1993- № 8 С. 3-12.

45. Емцев В.Т. Несимбиотическая азотфиксация и закономерности ее функционирования в почве / В.Т. Емцев, Л.К. Ницэ, Н.П. Покровский // Минераль

46. V ный и биологический азот в земледелии СССР. — М.: Наука, 1985. — С. 213221.

47. Жуков Г.А. Проблемы химизации земледелия Сибири. Новосибирск: Наука, 1985.- 157 с.

48. Замятина В.Б. Применение 15Ы а агрохимических исследованиях М.: Колос, 1970.- 116 с.

49. Захаров. В.В. Занятые пары резерв увеличения кормов- Новосибирское книжное издательство, 1960. — 40 с.

50. Зинченко С.И. Почвы и растения / С.И. Зинченко, М.А. Мазиров, М.К. Зин-ченко. — Владимир: Транзит-Икс, 2008. — 284 с

51. Зубарев С.Ф. Устойчивое развитие агропромышленного комплекса региона / РАСХН. Сиб. отд-ние. — Новосибирск, 2005. — 160 с.

52. Интенсивные технологии возделывания яровой пшеницы в Новосибирской области / ВАСХНИЛ. Сиб. отд-ние. СибНИИЗХим. — Новосибирск, 1987. — 58 с.

53. Иодко С.Л. Новая модификация дисульфофенолового метода определения нитратов в почве / С.Л. Иодко, И.Н. Шарков // Агрохимия, 1994. — N. 4. С. 95-97

54. Кадычегова А.Н. Динамика подвижных соединений азота в агрочерноземе текстурно-карбонатном под бобовыми культурами / А.Н. Кадычегова, В.В. Чупрова, В.А. Кадычегов // Вестник КрасГАУ, 2009.- № 8 С. 19-26.

55. Калининская Т.А. Влияние соломы на деятельность азотфиксирующих микроорганизмов почвы / Т.А. Калининская // Использование соломы как органического удобрения. — М.: Наука, 1980. — С. 48-54.

56. Кидин В.В. Превращение в дерново-подзолистой почве и баланс азота удобрений в условиях длительного лизиметрического опыта / В.В.Кидин, О.Н. Ионова // Агрохимия, 1993.-№ И С. 3-19.

57. Кирюшин В.И. О нисходящей миграции нитратов в черноземах Сибири при сельскохозяйственном использовании / В.И. Кирюшин, Г.И. Ткаченко // Почвоведение, 1986 а. — № 2. — С. 34-44.62