УДК 633.15.631.427: 631.82
Александр Федорович СТУЛИН, кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник
Воронежский филиал ФГБНУ ВНИИ кукурузы; 396835, Воронежская обл., Хохольский р-н, пос. Опытная станция.
Е-mail: opytnoe@vmail.ru; тел. (47371)9-05-38
В статье приведены результаты многолетних исследований по изучению влияния длительного применения минеральных удобрений на продуктивность кукурузы (зеленая масса, сухое вещество, зерно) в монокультуре и в севообороте за 5 ротаций десятипольного севооборота. Высокая эффективность удобрений достигнута в варианте N60P60K60, где среднегодовая продуктивность по зеленой массе, сухому веществу и зерну превышала контроль в севообороте соответственно на 33,6, 39,4 и 37,7%, в монокультуре на 45,7, 48,0 и 47,0% при урожайности на неудобренном фоне в севообороте 26,2, 6,42 и 3,42 т/га, в монокультуре 22,1, 5,65 и 2,81 т/га. Проанализировано три аспекта устойчивости агроценозов кукурузы в зависимости от места ее выращивания и агрохимического фона: урожайность, агрохимические свойства (в первую очередь поддержание стабильности углерода) и сохранение биоразнообразия микробного ценоза. Определение содержания углерода в агрочерноземе показало, что его запасы в слое 0-80 см в течение длительного периода сохранились на очень высоком уровне – от 270 до 287 т С/га во всех исследованных вариантах опыта и достоверно не различались между собой, что свидетельствует о высокой устойчивости органического вещества данной почвы. Впервые установлено, что севооборот не оказывал специфического влияния на структуру микробного сообщества в ризосфере кукурузы. Внесение полного минерального удобрения оказывало положительное влияние на разнообразие и сбалансированность микробиологических процессов в ризосфере кукурузы. Установлен высокий адаптивный потенциал сформировавшегося под монокультурой кукурузы специфического многовидового микробного сообщества, что позволяет говорить о его противодействии почвоутомлению.
Ключевые слова: кукуруза, монокультура, севооборот, удобрения, длительное внесение, углерод, микробное сообщество.
Минеральные удобрения являются одним из важнейших факторов регулирования биогеохимического цикла химических элементов в агроэкосистемах, характеризующихся разомкнутым круговоротом веществ. При этом длительное применение удобрений демонстрирует не только повышение уровня плодородия почв, но и существенную трансформацию средообразующих и структурно-функциональных свойств почв, в том числе и агрочерноземов.
В связи с этим актуальным является комплексная оценка воздействия длительного применения различных агротехнических приемов (удобрения, севооборот, монокультура) на состояние агроценозов кукурузы. Наиболее корректным при этом считается использование многолетних многоплановых исследований на базе стационарных опытов, позволяющих получить необходимое информационное обеспечение: объем, точность и упорядоченность исходной информации.
Цель работы – анализ результатов многолетних полевых и лабораторных исследований длительного применения минеральных удобрений на продуктивность кукурузы, выращиваемой в севообороте и монокультуре, анализ изменения основных показателей плодородия чернозема и оценка значения микробного сообщества агроценозов кукурузы в поддержании устойчивости агроэкосистемы.
Материал и методика
Оценка влияния минеральных удобрений на состояние агроэкосистемы посевов кукурузы, размещенных в севообороте и монокультуре, была проведена в Воронежском филиале ФГБНУ ВНИИ кукурузы с привлечением всего объема исследований за весь период существования двух стационарных опытов за №№ 151 и 152 по реестру Геосети и зарегистрированных в системе международных длительных полевых опытов [6].
Десятипольный севооборот в натуре развернут на трех полях, вводимых последовательно одной культурой и одним полем с монокультурой кукурузы с площадью каждого поля 1,1 га.
Кукуруза в монокультуре возделывается с 1960 г. и пространственно размещена на расстоянии 12 м от делянок севооборота, площадь между этими полями занимает «вечный» чистый пар. Пар поддерживается в чистом состоянии, сорная растительность уничтожается механическим путем. Ежегодно осенью на площади с чистым паром, в монокультуре кукурузы и в севообороте проводится вспашка зяби.
Многолетний пар (с 1960 г.) – экосистема, в которой вынос питательных элементов растениями и участие растений в трансформации органического вещества сведены до минимума, поскольку немногочисленная растительность уничтожается по всходам. Это дает основание утверждать, что основными преобразователями органического вещества в чистом паре являются микроорганизмы и почвенные беспозвоночные.
Почва – чернозем выщелоченный среднемощный, малогумусный, тяжелосуглинистый на покровной карбонатной глине. На момент закладки стационарных опытов в пахотном слое содержится: гумуса 5,6%, общего азота 0,24%, фосфора 0,15%, калия 2,0%, рНKCl. 5,3, сумма поглощенных оснований 38,4 ммоль/100 г почвы, степень насыщенности основаниями выше 90%.
Минеральные удобрения (аммиачная селитра, двойной суперфосфат, калий хлористый) вносятся ежегодно осенью, начиная с 1965 г. по 60 кг/га д.в. на 1 га по восьмерной схеме (0, N, Р, К, NР, NК, РК, NРК) и дополненной четырьмя вариантами: N1Р0,5К1, N1Р2К1, N1Р1К2, N2Р1К1. Агротехника районированных гибридов 1 поколения была общепринятой для лесостепной зоны Центрального Черноземья. Урожайность кукурузы определяли методом сплошного учета, данные обрабатывали методом дисперсионного анализа.
Анализ почвенных образцов проведен в лаборатории почвенных циклов азота и углерода Института физико-химических и биологических проблем почвоведения.
Состав микробного сообщества в ризосфере и междурядьях кукурузы в монокультуре и севообороте на разных агрохимических фонах определен в МГУ им. М. В. Ломоносова методом газовой хроматографии-масс-спектрометрии (ГХ-МС) в системе НР-5973 Agilent Technologies (США). Метод позволяет по химическим компонентам жирнокислотного состава мембранных структур бактерий определить состав и структуру сообщества микроорганизмов [5]. Анализ достоверности данных проведен стандартным методами, а также методами многомерного статистического анализа. Все вычисления выполнены с использованием программ MS Excel 2003 и Statistica 10.
Результаты исследований
Изучение режима влажности выщелоченного чернозема в посевах кукурузы проведено в течение 16 лет до глубины 2 м с пяти скважин в 2-х повторениях опыта при посеве, в период выметывания метелок и восковую спелость зерна. Установлено, что наибольший расход влаги в период «посев – выметывание» имел место из верхнего слоя почвы 0-60 см, в среднем за годы исследований 65% от общего расхода влаги из слоя 0-200 см, с колебаниями по годам от 46 до 80%. Из слоя 60-100 см он составил в среднем 19%. На долю слоя почвы ниже одного метра приходилось около 15% общего количества расходуемой растениями влаги. В снабжении растений влагой во вторую половину вегетации кукурузы повышается участие более глубоких слоев почвы: слоя 60-80 см до 31% и 100-200 см до 27%. Уровень урожайности кукурузы больше зависит от осадков вегетационного периода (r=0,75±0,21), чем от запаса продуктивной влаги в 2-х метровом слое почвы к моменту посева. Внесение оптимальной дозы N60P60K60 снижает коэффициент водопотребления кукурузы на 23-25%.
При отсутствии растительных остатков, как основного источника формирования гумусовых веществ (чистый пар), и при их незначительном поступлении на неудобренном фоне в монокультуре, количество гумуса достоверно снизилось в слое 0-20 см более чем на 0,6%. Выращивание кукурузы в севообороте сдерживало потери гумуса. Однако для оптимизации гумусного состояния основным условием является использование удобрений. Так, на фоне ежегодного внесения N60P60K60 содержание гумуса не отличалось от исходного значения в архивном образце, что связано с размерами накопления корневых и пожнивных остатков кукурузы и возврат ими в почву N, Р2О5, К2О. Основная масса корней кукурузы (более 80%), не зависимо от фона, была сосредоточена в пахотном горизонте. Масса корней кукурузы на неудобренном фоне в слое 0-40 см составила 1,81 т/га, а при внесении N60P60K60 – 2,53 т/га, что больше на 39,8%. На естественном фоне с корневыми и пожнивными остатками в год поступило в почву 22,9 кг азота, 5,6 кг фосфора и 19,1 кг калия, при внесении N60P60K60 возврат увеличивался: азота на 62, фосфора на 71 и калия на 60%.
Коэффициент гумификации растительных остатков кукурузы, рассчитанный как отношение запаса углерода С4 типа в слое 0-60 см под монокультурой к количеству углерода, поступившего в почву с корневыми и пожнивными остатками, составил в опыте на неудобренном фоне 9,7%, при ежегодном внесении N60P60K60 – 7,1%.
В тесной зависимости от гумуса находится состояние почвенного поглощающего комплекса (r=0,76). Длительно парующая почва потеряла более 15% обменных оснований по сравнению с исходными значениями перед закладкой стационара (38,4 ммоль/100 г почвы). При выращивании кукурузы без удобрений в монокультуре наблюдается тенденция снижения суммы кальция и магния. Систематическое применение удобрений сдерживает, наряду с гумусом, потерю обменных оснований. В то же время минеральные удобрения способствуют повышению актуальной и гидролитической кислотности в черноземах выщелоченных, что приводит к снижению степени насыщенности почв основаниями.
По оценочной шкале Д. Г. Звягинцева [3] черноземы опытного участка характеризуются слабой скоростью разложения клетчатки (табл. 1). Самая низкая активность целлюлаз и выявлена в почве варианта «вечный» чистый пар – 10,2%. На неудобренном фоне в посевах кукурузы в монокультуре и севообороте скорость разложения клетчатки повысилась по сравнению с парующей почвой в 1,2 и 1,6 раза, что можно объяснить дополнительным поступлением растительных остатков в почву. Внесение полного удобрения под кукурузу, независимо от места ее выращивания, стимулировало активность целлюлаз. Увеличение дозы азота в полном удобрении до 120 кг/га еще в большей степени усиливает целлюлазоразлагающую способность.
Таблица 1. Скорость разложения клетчатки в черноземе выщелоченном
Результирующим показателем любого агротехнического приема является его влияние на продуктивность культуры. Варьирование продуктивности кукурузы за время проведения опыта было довольно существенным, что напрямую зависело от погодных условий, в то же время влияние исследуемых факторов оставалось достоверным.
Урожайность зеленой массы кукурузы на естественном фоне в среднем за 5 ротаций десятипольного севооборота составила в севообороте 26,2 т/га с колебаниями по годам от 17,4 до 40,7 т/га, в монокультуре 22,1 т/га с варьированием от 16,2 до 30,3 т/га (табл. 2). На этом фоне урожайность в севообороте составила в I ротации 28,4 т/га, II – 25,8 т/га, III – 20,5 т/га, IV – 31,5 т/га и V – 25,0 т/га, что выше, чем в монокультуре за эти же годы в I-III ротациях на 15%, IV – на 24%, V – на 26%.
Таблица 2. Продуктивность кукурузы в севообороте и монокультуре при длительном применении удобрений, т/га (среднее за 5 ротаций)
Примечание: урожайность на контроле без удобрений и прибавки от удобрений.
Сбор сухого вещества кукурузы на неудобренном фоне составил 6,42 т/га в севообороте и 5,65 т/га в монокультуре.
Урожай зерна на естественном фоне составил в севообороте 3,42 т/га, в монокультуре – 2,81 т/га. В среднем за 5 ротаций прибавка урожая зеленой массы, сухого вещества и зерна кукурузы от внесения N60P60K60 повысилась в севообороте соответственно на 34, 39 и 38%. В монокультуре прирост был несколько большим и составил соответственно 46, 48 и 47%.
Детальный анализ многолетних урожайных данных, полученных в стационарных опытах, опубликован в серии экспериментальных статей, в которых детально проанализированы продуктивность кукурузы по годам, ротациям, показана роль отдельных видов, доз и соотношений удобрений, определена роль севооборотного фактора [1, 7-9].
Содержание и круговорот углерода в почве мало изучены по сравнению с надземной частью фитоценозов, несмотря на то, что основные запасы углерода сосредоточены в органическом веществе и карбонатных новообразованиях [4].
Наибольшее содержание органического углерода в агрочерноземе было в пахотном слое. В архивном почвенном образце, отобранном до закладки стационара, содержалось 3,19%, в «вечном» чистом паре – 3,12%, в монокультуре кукурузы на неудобренном фоне и при ежегодном внесении N60P60K60 3,37 и 3,42% соответственно с дальнейшим его снижением по профилю почвы. В слое почвы 60-80 см существенных различий содержания Сорг по изучаемым вариантам не было. Запасы углерода в агрочерноземе указывают на высокую устойчивость органического вещества данной почвы к изменениям агротехнических приемов, величины запасов углерода в слое почвы 0-80 см сохранились на очень высоком уровне – от 270 до 287 т/га и достоверно не различались между собой.
После 50-летнего выращивания кукурузы углерод, поступивший из растений кукурузы, составил 5% от общих запасов органического вещества почвы в слое 0-20 см и менее 0,4% в слое 60-80 см. Такая низкая скорость обновления углерода связана с высокими запасами углерода в черноземной почве.
Исследованиями установлено, что численность микроорганизмов, определенная методом ГХ-МС, по всем вариантам опыта в посевах кукурузы в севообороте и монокультуре, включая архивный образец до закладки опыта, была достаточно высокой: 107-108 клеток/г почвы для бактерий, до 76 мкг/г почвы для сапротрофных грибов и до 195 мкг/г почвы для арбускулярных микоризных грибов. В составе микробных сообществ реконструировано 48 бактериальных видов, относящихся к 35 родам, которые принадлежат к пяти филумам – Proteobacteria, Actinobacteria, Firmicutus, Bacteroidetes, Chlamydiae. В ризосфере кукурузы, независимо от места ее выращивания, преобладают представители филума Actinobacteria – активные гидролитики (примерно 60%).
При рассмотрении вклада «нового» углерода, поступающего за счет кукурузы в состав биомассы почвенных микроорганизмов, в нашем опыте установлено, что сапротрофные грибы не играют ведущей роли в трансформации органического вещества почвы. Поступающий углерод корневых выделений и растительных остатков кукурузы активно трансформируют бактерии и микоризные грибы [2].
К концу вегетации кукурузы, не зависимо от ее выращивания, численность микроорганизмов в ризосфере во всех вариантах опыта увеличивалась в 1,5-2 раза, достигнув наибольших величин при внесении N60P60K60. При этом полное минеральное удобрение положительно влияло на разнообразие и сбалансированность микробиологических процессов в ризосфере кукурузы.
Обеднения и изменения качественного состав микробного сообщества в почве под бессменными посевами кукурузы не обнаружено. Однако в течение 50-летней монокультуры кукурузы (если судить по архивному образцу) микробоценоз перестраивался. Отмечено снижение субдоминантных групп в сообществе, а доминантные в 3-4 раза увеличили свою численность. По экологическому показателю – индексу выравненности Бергера-Паркера – произошло увеличение монодоминирования. С экологических позиций такое положение можно считать неблагоприятной тенденцией. При этом длительное применение различных агротехнических приемов не повлияло на количество микробных сообществ агрочернозема. Индекс биоразнообразия (Шеннона) во всех вариантах опыта высокий, что свидетельствует о выравненности и стабильности микробных сообществ, что позволяет утверждать, что под монокультурой кукурузы сформировалось специфическое многовидовое микробное сообщество, в котором выделилась крупная аэробно-анаэробная регулирующая ассоциация с высоким адаптивным потенциалом, способным к противостоянию почвоутомлению.
Для агроэкологического мониторинга агрочернозема в стационарных опытах, кроме приведенных выше результатов исследований, изучается вынос и баланс питательных веществ в агроценозах кукурузы, интенсивность почвенно-биологических процессов, а также периодически ведутся наблюдения за содержанием валовых и подвижных форм тяжелых металлов (Mn, Zn, Cu, Pb, Ni, Cd) в пахотном и подпахотном слоях почвы и растениях кукурузы.
Выводы
Таким образом, в среднем за 5 ротаций севооборота внесение N60P60K60 повысило урожай зеленой массы, сухого вещества и зерна кукурузы соответственно на 8,8, 2,53 и 1,29 т/га в севообороте и на 10,1, 2,71 и 1,32 т/га в монокультуре.
Определение содержания углерода в агрочерноземе показало, что его запасы в слое 0-80 см сохранились на очень высоком уровне — от 270 до 287 т/га во всех исследованных вариантах опыта и достоверно не различались между собой, что свидетельствует о высокой устойчивости органического вещества данной почвы.
Длительное внесение удобрений в севообороте и монокультуре оказывает положительное влияние на разнообразие и сбалансированность микробиологических процессов в ризосфере кукурузы. В бессменных посевах кукурузы формируется специфическое многовидовое микробное сообщество с высоким адаптивным потенциалом, способным противостоять почвоутомлению.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Воронин В.И. Оценка продуктивности кукурузы в условиях выращивания ее в севообороте и в виде монокультуры при длительном применении удобрений / В.И. Воронин, А.Ф. Стулин, П.И. Подрезов // Успехи современной науки. 2017. №7. С. 18-26.
- Евдокимов И.В. Оборачиваемость «нового» и «старого» углерода в составе биомассы почвенных микроорганизмов / И.В. Евдокимов, А.А. Ларионова, А.Ф. Стулин // Микробиология. 2013. Т. 82. № 4, с 489-501.
- Звягинцев Д.В. Методы почвенной микробиологии и биохимии. М.: Изд-во МГУ, 1991. 304 с.
- Кудеяров В.Н., Заварзин Г.А., Благодатский С.А.и др. Пулы и потоки углерода в надземных экосистемах России. М.: Наука, 2004. 315 с.
- Осипов Г.А. Способ определения родового (видового) состава ассоциации микроорганизмов // Патент РФ на изобретение № 2086642 от 10.08.1997. 12 с.
- Реестр аттестатов длительных опытов с удобрениями и другими агрохимическими средствами Российской Федерации. М., 2012. С. 12-19.
- Стулин А.Ф. Zea mays L. в монокультуре и севообороте в условиях Центрального Черноземья / А.Ф. Стулин, А.А. Романычева, Н.В. Верховцева // Проблемы агрохимии и экологии. 2014. № 2. С. 12-18.
- Стулин А.Ф. Продуктивность кукурузы, выращиваемой в севообороте и монокультуре в условиях длительного применения удобрений /А.Ф. Стулин // Зерновое хозяйство России. 2017. №3 (51). С. 63-67.
- Стулин А.Ф. Продуктивность кукурузы при длительном применении различных агротехнических приемов в условиях стационарных опытов / А.Ф. Стулин // 75 лет Географической сети опытов с удобрениями: Материалы Всерос. совещ. научных учреждений — участников Геосети, М.: ВНИИА, 2016. С. 253-257.
COMPLEX EVALUATION OF THE LONG-TERM APPLICATION OF MINERAL FERTILIZERS IN CORN AGROCENOSIS UNDER CONDITIONS OF THE CENTRAL BLACK SOIL REGIONS
Stulin Alexander Fedorovich
A branch of FSBSI ARRSI of corn in Voronezh
The article shows longstanding research results of the influence of long-term application of mineral fertilizers on productivity (green forage, dry substance, grain) of corn in a crop rotation and a monoculture for 5 rotations of ten-field crop rotation. The high efficiency of fertilizers was achieved in the variant N60P60K60, where the average annual productivity of green forage, dry substance and grain exceeded the control in the crop rotation by 33.6, 39.4 and 37.7%, respectively, in monoculture by 45.7, 48.0 and 47.0% for yields on an unfertilized background in crop rotation 26.2, 6.42 and 3.42 t/ha, in monoculture 22.1, 5.65 and 2.81 t/ha. Three aspects of the corn agrocenoses stability are analyzed depending on the place of its cultivation and agrochemical background: yield, agrochemical properties (primarily maintenance of carbon stability), and preservation of the biodiversity of the microbial coenosis. The determination of carbon content in black soil showed that in the 0-80 cm of soil layer it remained at a very high level over a long period of time from 270 to 287 tons of C/ha along all studied experiment variants and did not differ significantly between each other, which indicates high organic matter stability of the given soil. It was established for the first time that the crop rotation did not exert a specific influence on the structure of the microbial assemblage in the corn rhizosphere. The introduction of a full mineral fertilization has a positive effect on the diversity and balance of microbiological processes in the corn rhizosphere. The high adaptive potential of the specific multi-species microbial assemblage has been established that is formed under the monoculture of corn, and which makes it possible to speak of its counteraction to soil fatigue.
Keywords: corn, monoculture, crop rotation, fertilizers, long-term application, carbon, microbial assemblage.