Биологическая активность почвы как фактор влияния на урожайность при возделывании яровой твёрдой пшеницы в монокультуре и севооборотах степной зоны Южного Урала

Размещено на http://www.allbest.ru/

Soil biological activity as a factor of influence on yield during the cultivation of spring hard wheat in monoculture and crops in the steppe zone of Southern Urals

V.Yu. Skorokhodov

Abstract

Introduction. The Orenburg region occupies a leading position in the Southern Urals in terms of the area of cultivation of durum spring wheat. Of great importance is the increase in crop yields due to agrotechnological solutions. In world science, great interest is given to the study of the biological activity of the soil and nutrient soil elements. This article discusses the problem of increasing soil fertility by increasing the microbiological activity of the soil and selecting crops in crop rotations that provide the optimal content of macronutrients and increase the productivity of the studied durum wheat. The influence of biological factors on the formation of the yield of spring durum wheat under arid conditions has not been studied enough, which is the reason for our research on the influence of biological activity of soil and macroelements on crop productivity in the steppe zone of the Southern Urals. The aim of the study is to identify biological factors influencing the productivity of spring durum wheat cultivated in crop rotations and monoculture in arid conditions of the Southern Urals. Object. The object of this study is the crops of durum spring wheat cultivated permanently and in crop rotations with different lengths of rotation and a set of crops. Materials and methods. Field studies were carried out at the hospital of the department of agriculture and resourcesaving technologies of the Federal Scientific Center for Biological Systems and Agrotechnologies of the Russian Academy of Sciences. The stationary experimental site was founded in 1988 at the coordinates 51.775125о N. 55.306547 about east. The soil of the experimental plot is represented by southern carbonate low-humus heavy loamy chernozem with total nitrogen content up to 0.3%, total phosphorus up to 0.22%, exchangeable potassium 30-38 mg/100 g of soil, humus content 3.2-4.0%. When studying the biological activity of the soil, the method of application and decomposition of linen was used. The content of macroelements in the soil was determined by the ionometric method and the Machigin method. According to the results of the experiment, statistical processing was carried out by the method of multiple regression in the program "Statistica 12.0". Field experiments were laid from 2002 to 2021 according to the method of B.A. Dospekhov. Results and conclusions. In the variants of the experiment, the highest (12.6%) biological activity of the soil in the 0-20 cm layer was established when durum wheat was cultivated in green manure fallow. Microbiological soil activity is determined by the quantitative content of nitrates and mobile forms of phosphorus and potassium in the soil. We have revealed an increase in the activity of cellulose-decomposing microorganisms against the background of an increase in nitrate nitrogen under crops of spring durum wheat. The maximum content of nitrates is fixed in the green manure fallow after sowing of durum wheat (8.0 mg/100 g of soil). After harvesting the culture, the largest amount of nitrate nitrogen was in the variant of the experiment with peas, which is explained by the functioning of nodule bacteria on the predecessor. The minimum content of nitrates in the soil is observed during permanent cultivation of the crop in spring (5.9 mg) and autumn (5.1 mg/100 g of soil). In the variant with winter rye, the highest content of potassium is noted (40.1 and 41 mg) due to the entry into the soil of a large vegetative mass of the previous crop. The study determined the highest yield of durum wheat in the control variant of the experiment 0.92 tons per 1 ha. In the control variant of the experiment with spring durum wheat on black fallow, the influence of the soil biological activity factor on the crop yield was 51.6% with a significance level of p=0.0005. In two-field crop rotations with millet and barley, there is a decrease in microbiological processes to the level of 5.9 and 5.4%, respectively. The yield level of durum spring wheat is affected by the content of macroelements in the soil and the share of the influence of nitrate nitrogen is 52.4, mobile phosphorus 35.3 and exchangeable potassium 36.8%. For the influence of the factor in the variant of the double field of spring durum wheat with millet, it was 45.4% for nitrogen, 31.9% for phosphorus and 42.6% for potassium. Growing wheat in a two-field crop rotation with millet leads to a decrease in crop yields to the minimum (0.51 t/ha) indicators.

Keywords: soil biological activity, crop rotation, durum wheat, productivity, monoculture.

Биологическая активность почвы как фактор влияния на урожайность при возделывании яровой твёрдой пшеницы в монокультуре и севооборотах степной зоны Южного Урала

В.Ю. Скороходов

Аннотация

почвенный плодородие севооборот пшеница

Актуальность. Оренбургская область занимает лидирующие позиции на Южном Урале по площади возделывания пшеницы твёрдой яровой. Важное значение имеет увеличение урожайности культуры за счёт агротехнологических решений. В мировой науке большой интерес представляет изучение биологической активности почвы и питательных почвенных элементов. В данной статье рассматривается проблема повышения почвенного плодородия за счёт усиления микробиологической активности почвы и подбора культур в севооборотах, обеспечивающих оптимальное содержание макроэлементов и увеличивающих продуктивность изучаемой пшеницы твёрдой. Влияние биологических факторов на формирование урожайности яровой твёрдой пшеницы в засушливых условиях изучено недостаточно, что является причиной проведения нами исследований по влиянию биологической активности почвы и макроэлементов на продуктивность культуры в степной зоне Южного Урала. Целью исследования является выявление биологических факторов влияния на продуктивность яровой твёрдой пшеницы, возделываемой в севооборотах и монокультуре в засушливых условиях Южного Урала. Объект. В качестве объекта данного исследования выступают посевы пшеницы твёрдой яровой, возделываемой бессменно и в севооборотах с разной длительностью ротации и набором культур. Материалы и методы. Полевые исследования проводились на стационаре отдела земледелия и ресурсосберегающих технологий ФГБНУ «ФНЦ биологических систем и агротехнологий РАН». Стационарный опытный участок заложен в 1988 году в координатах 51.775125° с.ш. 55.306547° в.д. Почва опытного участка представлена чернозёмом южным карбонатным малогумусным тяжелосуглинистым с содержанием общего азота до 0,3 %, общего фосфора - до 0,22 %, обменного калия - 30-38 мг/100 г почвы, гумуса - 3,2-4,0 %. При изучении биологической активности почвы использовался метод аппликации и разложения льняного полотна. Содержание макроэлементов в почве определяли ионометрическим методом и методом Мачигина. По результатам эксперимента проводилась статистическая обработка методом множественной регрессии в программе «Statistica 12.0». Полевые опыты закладывались с 2002 по 2021 год по методике Б. А. Доспехова. Результаты и выводы. В вариантах эксперимента установлена наибольшая (12,6 %) биологическая активность почвы в слое 0-20 см при возделывании пшеницы твёрдой по сидеральному пару. Микробиологическая почвенная активность определяется количественным содержанием в почве нитратов и подвижных форм фосфора и калия. Нами выявлено увеличение активности целлюлозоразлагающих микроорганизмов на фоне повышения нитратного азота под посевами яровой твёрдой пшеницы. Максимальное содержание нитратов фиксируется по сидеральному пару в срок после посева твёрдой пшеницы (8,0 мг/100 г почвы). После уборки культуры наибольшее количество нитратного азота в варианте опыта с горохом, что объясняется функционированием клубеньковых бактерий на предшественнике. Минимальное содержание нитратов в почве отмечается при бессменном возделывании культуры весной (5,9 мг) и осенью (5,1 мг/100 г почвы). В варианте с озимой рожью отмечается наибольшее содержание калия (40,1 и 41, мг) в связи с поступлением в почву большой вегетативной массы предшествующей культуры. Исследованием определена наибольшая урожайность твёрдой пшеницы в контрольном варианте опыта 0,92 т с 1 га. В контрольном варианте опыта яровой твёрдой пшеницы по чёрному пару влияние фактора биологической активности почвы на урожайность культуры составило 51,6 % с уровнем значимости р=0,0005. В двупольных севооборотах с просом и ячменём отмечается снижение микробиологических процессов до уровня 5,9 и 5,4 % соответственно. На уровень урожайности пшеницы твёрдой яровой влияет содержание в почве макроэлементов, и доля влияния нитратного азота составляет 52,4, подвижного фосфора - 35,3 и обменного калия - 36,8 %. Для влияния фактора в варианте двуполья яровой твёрдой пшеницы с просом составила по азоту 45,4, фосфору - 31,9 и калию - 42,6%. Выращивание пшеницы в двупольном севообороте с просом приводит к снижению урожайности культуры до минимальных (0,51 т/га) показателей.

Ключевые слова: биологическая активность почвы, севообороты, твёрдая пшеница, урожайность твердой пшеницы, монокультуры.

Введение

Оренбуржье занимает лидирующие позиции на Южном Урале по площади возделывания яровой твёрдой пшеницы в сравнении с другими засушливыми регионами Российской Федерации. В области земледелия и в целом сельскохозяйственного производства растениеводческой продукции стоит задача увеличения урожайности твёрдой пшеницы и при её выполнении важное место занимает изучение биологических факторов влияния. В мировой науке большое значение отводится изучению биологической активности почвы (БАП) и питательных почвенных макроэлементов.

Высокая урожайность твёрдой пшеницы достигается при повышенном содержании в почве азота, фосфора и калия. Азот в почве подвергается различным формам изменения, и его потребление растениями зависит от ряда факторов, в том числе зависит от возделывания предшествующей культуры [3, 5]. Формирование урожайности твёрдой пшеницы в опытах Оренбургского НИИСХ сопровождалось потреблением нитратов в среднем за 18 лет исследований по удобренному фону 1,2 мг, по неудобренному - 1,3 мг/100г почвы [1, 7]. Увеличение почвенного содержания фосфора в пахотном слое (0-30 см) в количестве 8,68 мг/100г повышает урожайность твёрдой пшеницы до 2,48 тонн с 1 га. Урожайность твёрдой пшеницы на уровне 2,52 т/га отмечается при содержании в почве калия до 47,6 мг/100 г [4, 8]. При содержании в пахотном слое почвы Р2О5 от 2,1 до 108,3 кг на га повышается урожайность пшеницы с 0,37 до 1,32 т/га. Запасы азота в почве 99,7 кг/га в пахотном слое способствуют формированию урожайности на уровне 1,62 т с 1 га. Повышенное (800-1122 кг/га) содержание калия в почве перед посевом твёрдой пшеницы приводит к снижению урожайности культуры [12, 13].

Одним из показателей биологических процессов в почве является микробиологическая активность. Микроорганизмы, разрушающие целлюлозу, участвуют в процессе разложения клетчатки, накопленной пожнивно-корневыми и другими растительными остатками. Скорость разрушения клетчатки указывает на интенсивность биологических почвенных процессов, определяющих условия формирования урожайности сельскохозяйственных культур [14]. Элементы почвенного питания для растений становятся более доступными при активной жизнедеятельности целлюлозоразлагающих микроорганизмов, а при создании благоприятных условий удваивается интенсивность биологических процессов [15].

Исследованиями выявлено увеличение активности микроорганизмов, разлагающих целлюлозу в почве под посевами твёрдой пшеницы при повышении содержания нитратного азота на чернозёмах южных [6, 11]. Биоактивность почвы под посевами яровой твёрдой пшеницы зависит от возделывания культуры в севообороте различной ротации, включающей монопосевы [2, 9, 10].

Материалы и методы

В качестве объекта исследования выступает яровая твёрдая пшеница и почвенные образцы под вариантами опытов. Яровая твёрдая пшеница возделывалась в шестипольных, двупольных севооборотах и монокультуре. Схема опыта состоит из 10 вариантов: предшественники твёрдой пшеницы в шестипольных севооборотах 1. Чёрный кулисный пар (контроль), 2. Озимая рожь по чёрному кулисному пару, 3. Занятый пар с почвозащитным посевом суданской травы, 4. Сидеральный пар с бинарным посевом гороха и овса; в двупольных севооборотах 5. Кукуруза на силос, 6. Пшеница мягкая яровая, 7. Просо, 8. Ячмень, 9. Горох на зерно, 10. Монопосев пшеницы твёрдой яровой.

Набор культур и их последовательность в шестипольных севооборотах следующие: 1. Пар чёрный - изучаемый вариант пшеницы твёрдой - пшеница мягкая - сборное поле (кукуруза, просо, сорго, горох) - пшеница мягкая - ячмень (контроль), 2. Пар чёрный - озимая рожь - изучаемый вариант пшеницы твёрдой - сборное поле - пшеница мягкая - ячмень, 3. Пар занятый суданской травой - изучаемый вариант пшеницы твёрдой - пшеница мягкая - сборное поле - пшеница мягкая - ячмень, 4. Пар сидеральный с посевом гороха и овса - изучаемый вариант твёрдой пшеницы - пшеница мягкая - сборное поле - пшеница мягкая - ячмень.

В эксперименте применялся полевой метод, рекомендованный Б.А. Доспеховым. Делянки на стационарном участке расположены в четыре яруса систематически и имеют прямоугольную форму с размерами по ширине 14,4; 7,2 и 3,6 м. Площадь опытных делянок в шестипольных севооборотах составляет 864 м2, в двупольных севооборотах - 432 м2, в двупольных севооборотах - при чередовании с горохом и ячменём 216 м2. Общая площадь посева на стационарном опытном участке занятая изучаемой культурой пшеницы твёрдой яровой, составляет 22 464 м2 с учётом четырёх повторений.

Посев пшеницы твёрдой яровой (сорт Оренбургская 10) проводился в первой декаде мая сеялкой СЗП-3,6 с последующим прикатыванием ЗККШ-6. Норма высева семян пшеницы твёрдой составляла 180 кг на 1 га. Урожайность пшеницы учитывалась с помощью селекционного комбайна марки Terrion SR 2010, с учётной площади 120 м2. При оценке биологической активности почвы на изучаемых вариантах опыта применялся аппликационный метод разложения льняного полотна в результате микробиологической деятельности. После посева пшеницы твёрдой яровой на каждом варианте опыта производили закопку проб в почву из стеклянных прямоугольников, обёрнутых льняным полотном, на глубину 20 см. Срок нахождения льняной ткани в почве составлял 90 дней, затем пробы выкапывали, подсушивали, взвешивали и по убыли массы льняной ткани определяли процент разложения полотна.

Для определения содержания макроэлементов в почве под вариантами опытов использовали ручные пробоотборники. Образцы для определения NPK отбирали в два срока (после посева и после уборки твёрдой пшеницы) с глубины 0-30 см на двух несмежных повторениях опыта. Содержание макроэлементов в почве определяли ионометрическим методом и методом Мачигина в лаборатории Центра коллективного пользования (https: //xn btbzumgw.xn plai). Лабораторный анализ почвенных проб соответствовал ГОСТу 26951-86 и 26205-91. По результатам эксперимента проводилась математическая статистическая обработка методом множественной регрессии в программе «Statustica 12.0».

Результаты и обсуждение

В результате проведённых исследований установлено, что на уровень урожайности пшеницы твёрдой яровой непосредственное влияние оказывают набор предшественников в севооборотах и длительное бессменное возделывание культуры. Эксперимент проводился с 2002 по 2021 годы, и определена степень разложения льняного полотна под вариантами с посевом пшеницы твёрдой яровой в сопряжении с разными предшественниками в севооборотах. Установлена наибольшая (12,6 %) биологическая активность почвы в слое почвы 0-20 см в четвёртом варианте опыта при возделывании пшеницы твёрдой по сидеральному пару (таблица 1). За счёт последействия запаханной сидеральной массы и увеличения содержания органического вещества, стимулирующего выработку нитратного азота, создаются благоприятные условия для активности микроорганизмов, разлагающих клетчатку.

В седьмом (по просу) и восьмом (по ячменю) вариантах опыта отмечается снижение микробиологических процессов, на что указывают полученные данные по биологической активности почвы на уровне 5,9 и 5,4 % соответственно. В других вариантах эксперимента степень разложения льняного полотна составила от 9,9 до 10,8 %.

Целлюлозоразлагающая деятельность микроорганизмов (грибов, ферментов, бактерий) в большой степени зависит от вида предшественника и почвенных условий, созданных при ротации культур в севообороте и многолетнем бессменном возделывании, приводящих к различной доступности подвижных форм питательных веществ. Микробиологическая почвенная активность определяется количественным содержанием в почве нитратов и подвижных форм фосфора и калия. В нашем исследовании выявлено увеличение активности разлагающих целлюлозу микроорганизмов на фоне повышения нитратного азота под посевами пшеницы твёрдой. Максимальное содержание нитратов фиксируется в четвёртом варианте по сидеральному пару и в срок после посева пшеницы твёрдой составило 8,0 мг/100 г почвы. После уборки пшеницы твёрдой наибольшее (7,1 мг/га) количество нитратного азота в девятом (после гороха) варианте опыта, что объясняется накоплением азота за счёт функционирования клубеньковых бактерий на предшествующем горохе. Минимальное количество нитратов отмечается на варианте бессменного возделывания твёрдой пшеницы по двум срокам определения и составляет соответственно в посев культуры 5,9 и в уборку 5,1 мг/100 г почвы. За время исследований содержание фосфора в почве находилось в интервале 4,0-4,5 мг/100 г почвы, ввиду низкого потребления культурой пшеницы твёрдой. Количественное содержание обменного калия в почве в течение вегетационного периода составило от 31,9 до 41,0 мг/100 г почвы в среднем по всем предшественникам. Во втором варианте (с озимой рожью) опыта отмечается наибольшее содержание калия (40,1 и 41,0 мг) в результате поступления большой вегетативной массы предшествующей озимой ржи, тем самым увеличивается органическое вещество в почве. Уровень содержания макроэлементов в почве и их доступность культуре пшеницы твёрдой определяли величину урожайности. Исследованием определена наибольшая урожайность пшеницы твёрдой в контрольном первом варианте опыта 0,92 т/га. В седьмом и десятом вариантах опыта получена наименьшая урожайность пшеницы твёрдой в севообороте по просу 0,51 т в монопосеве - 0,59 т/га. Часто повторяющиеся засухи в течение вегетационного периода приводят к снижению урожайности пшеницы твёрдой по всем вариантам предшественников.

Таблица 1. Степень разложения льняного полотна, содержание в почве макроэлементов и урожайность пшеницы твёрдой в сопряжении с предшественниками (в среднем за 2002-2021 годы)

В контрольном варианте опыта пшеницы твёрдой яровой по чёрному пару влияние фактора биологической активности почвы на урожайность культуры составило 51,62% при положительных показателях коэффициентов бета, регрессии, детерминации, с уровнем значимости 0,0005 (таблица 2).

Таблица 2. Влияние биологической активности почвы и содержания макроэлементов в период посева пшеницы твёрдой яровой в севооборотах при расчёте множественной регрессии (2002-2021 годы)

*БАП - биологическая активность почвы.

На уровень урожайности пшеницы твёрдой яровой влияет содержание в почве макроэлементов, и доля влияния нитратного азота составляет 52,43, подвижного фосфора - 35,27, обменного калия - 36,80 % при варьировании положительных чисел математической регрессии с уровнем значимости соответственно 0,0004, 0,0073 и 0,0059 (Р<0,05).

Возделывание пшеницы твёрдой в двупольном севообороте с просом приводит к снижению урожайности культуры до минимальных показателей в результате замедления микробиологических процессов в почве, ограничивающих доступность макроэлементов. Доля влияния фактора макроэлементов во втором варианте опыта (двуполье с просом) составила по азоту 45,45, фосфору - 31,91 и калию - 42,63 % при положительных значениях множественной регрессии с достоверностью 0,0015, 0,0117 и 0,0024. При математической обработке данных влияние биологической активности почвы с сопряжением содержания макроэлементов на урожайность твёрдой пшеницы на остальных вариантах опыта отсутствует.

Выводы

Исходя из проведённого исследования для увеличения урожайности пшеницы твёрдой яровой рекомендуется её возделывание в шестипольных севооборотах по чёрному пару. Во втором варианте опыта (контроль) доля влияния фактора биологической активности почвы на урожайность культуры составила 51,62 %, содержания азота - 52,43, фосфора - 35,27, калия - 36,80 %.

Выращивание пшеницы твёрдой в двупольном севообороте с просом приводит к снижению урожайности культуры до минимальных показателей 0,51 т/га при замедлении микробиологических почвенных процессов.

Библиографический список

1. Анализ лимитирующих агроэкологических факторов урожайности и качества твёрдой пшеницы в засушливых условиях / И.И. Васенев [и др.] //Достижения науки и техники АПК. 2019. Т. 33. № 12. С. 30-37.

2. Балашов В.В., Лёвкина К.В., Кудина К.А. Урожайность яровой твёрдой пшеницы в зависимости от гидротермических условий на светло-каштановых почвах Волгоградской области // Известия нижневолжского агроуниверситетского комплекса. 2017. № 4. С. 29-35.

3. Гончаров С.В., Курашов М.Ю. Перспективы развития российского рынка твёрдой пшеницы // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. 2018. № 2 (57). С. 66-75.

4. Горянин О.И., Щербинина Е.В. Совершенствование технологии возделывания яровой пшеницы в Поволжье //Аграрный научный журнал. 2020. № 6. С. 11-14.

5. Кузнецов Д.А. Влияние минеральных удобрений и норм высева на урожайность и качество зерна яровой пшеницы //Аграрный научный журнал. 2020. № 11. С. 25-29.

6. Сапега В.А., Турсунбекова Г.Ш. Урожайность экологическая пластичность и стабильность сортов яровой мягкой и твёрдой пшеницы в южной лесостепи Тюменской области // Аграрная наук Евро-Северо-Востока. 2020. № 21 (2). С. 114-123.

7. Скороходов В.Ю. Совершенствование технологии возделывания яровой твёрдой пшеницы в степной зоне Южного Урала //Аграрный научный журнал. 2020. № 6. С. 11-14.

8. Скороходов В.Ю. Последействие предшественников яровой твёрдой пшеницы на урожайность и содержание калия в почве при долголетних исследованиях на чернозёме южном степной зоны Южного Урала // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Агрономия и животноводство. 2021. Т. 16. № 4. С. 313-325.

9. Скороходов В.Ю. Биологический фактор воспроизводства гумуса и поддержания плодородия почвы в условиях степной зоны Южного Урала // Плодородие. 2021. № 2 (119). С. 55-59.

10. Тойгильдин А.Л., Морозов В.И., Подсевалов М.И. Биологизация севооборотов и качества зерна яровой пшеницы в условиях лесостепной зоны Поволжья // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2019. № 2 (46). С. 58-64.

11. Урожайность яровой твёрдой пшеницы в зависимости от гидротермических условий на светло-каштановых почвах Волгоградской области / В.В. Балашов и др. // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2017. № 4 (48). С. 29-35.

12. Adantive Traits to Jmprove Durum Wheat Yield in Drought Crown Rot Enviroaments / S. Alahmag [et al.] // Jntrnational Journal of Moleculsr Sciences. 2020. Vol. 21 (15). P. 52-60.

13. Management of common root rot and Fusarium Aoot rot of wheat using Brassica carinata break crop green manure / V. Campanella [et al.] // Crop Protection. 2020. Vol. 130. P. 105-173.

14. Rising Atmospheric Temperature lmpact on Wheat and Thermotoleranse Strategies / K. Adeel [et al.] // Plants. 2021. № 10 (1). P. 43.

15. Thalmann M., Santelia D. Strach asa determinant of plant fitness under abiotic stress // New phutol. 2017. No 214 (3). P. 943-951.

Размещено на Allbest.ru