Средообразующий потенциал бобово-злаковой травосмеси при разных режимах питания в условиях центральной Якутии

В статье представлены экспериментальные результаты по потенциалу продуктивности, накоплению корневой массы люцерно-кострецового агрофитоценоза, по содержанию основных элементов питания, закреплению валовой энергии в корнях и агроэнергетической эффективности по сбору валовой энергии в условиях мерзлотных пойменных дерново-черноземных почв долины средней Лены. Максимальный потенциал продуктивности бобово-злакового агрофитоценоза получен на фоне органоминерального режима питания: по сбору обменной энергии - 21,3 ГДж, кормовых единиц.

Одной из важнейших эндогенных причин развития луговой растительности является различная скорость разложения отмерших растительных остатков в зависимости от предшествующей растительности на залежи, от способа использования, состава смесей, от агротехнологических приемов и т.д. Особое средообразующее значение имеют многолетние бобовые травы в повышении плодородия почв, увеличении урожайности и улучшения качества корма. В Центральной Якутии вопросами подбора и создания различных бобово-злаковых травосмесей для сенокосного и пастбищного использования занимались А.С. Яковлев, З.Г. Ефимов [13, 14], Захаров И.Д., Чемерзанская Л.М., Кузьмина А.В., Барашкова Н.В [6], Аржакова А.П. [1], Барашкова Н.В., Аржакова А.П. [3], Барашкова Н.В. [2], Барашкова Н.В., Кузьмина А.В. [4]. В первых опытах по разработке травосмесей с включением люцерны для сенокосного использования на пойменных землях было установлено, что для получения высококачественного сена желательно высевать травосмесь из костреца безостого в сочетании с пырейником изменчивым и люцерной [14]. Эти исследования не получили дальнейшего развития из-за отсутствия районированного сорта люцерны адаптивного в условиях криолитозоны. С районированием сорта люцерны Якутская желтая (1989 г.) появилась возможность использовать эту бобовую культуру в составе различных травосмесей [11]. Созданием бобово-злаковых травосмесей с участием люцерны при сенокосном использовании для производства силоса занимались Попов Н.Т., Емельянова А.Г., Соромотина А.А., [10]. В условиях долины р. Амги изучалась шестикомпонентная травосмесь с участием люцерны. Установлено, что во влажные годы основной ценообразующей культурой травосмеси является люцерна, а в засушливые периоды - ломкоколосник ситниковый [12]. До сих пор отсутствуют данные по средообразующей оценке бобово-злаковой травосмесями при разных режимах питания в условиях Центральной Якутии.

Целью наших исследований является изучение средообразующего потенциала бобово-злаковых смесей при разных режимах питания на основе продуктивности, накоплению корневой массы, валовой энергии и агроэнергетической эффективности по сбору валовой энергии мерзлотных пойменных дерново-черноземных почв долины средней Лены.

Материалы и методы исследования

Объектом исследования являются бобово-злаковые травостои, состоящие из костреца безостого сорт Хаптагайский (20 кг)га) и люцерна сорт Якутская желтая (8 кг/га) при сенокосном использовании при разных режимах питания и в условиях естественного увлажнения.

Исследования по базовому проекту за 2013-2014 годы проводились на Мархинском стационаре, расположенном в 13 км от города Якутска. Опытные участки расположены на второй надпойменной террасе реки Лены и при этом специфические элементы климата Центральной Якутии, повсеместно развитая многолетняя мерзлота, своеобразный гидрологический режим р. Лены формируют в средней долине сложный комплекс факторов для роста и развития растений. По типологии опытные участки относятся к остепненным лугам высокого уровня реки Лены. Почвы опытного участка определены как мерзлотные пойменные дерново-черноземные почвы. Почвы под остепненными лугами отличаются большой сухостью и сравнительно интенсивным нагреванием корнеобитаемой толщи. В этих условиях во второй половине лета протекает усиленная минерализация органических веществ с образованием верхнего гумусированного слоя, внешне напоминающего гумусо-аккумулятивный горизонт степных черноземов. Преобладает черноземовидный процесс почвообразования.

Весенняя влажность мерзлотной дерновой почвы характеризуется как недостаточная для начальной вегетации луговых трав, поэтому остепненные луга отличаются низкой биологической продуктивностью. Почвы ключевого участка на Мархинском стационаре - мерзлотные пойменные дерново-черноземные с содержанием гумуса в пахотном слое 0-20 см до 2,5 %, подвижного фосфора - 279 мг/кг, обменного калия - 104 мг/кг почвы.

Изучение средообразующей роли бобово-злаковых фитоценозов провели в 2013-2014 годы на десятом году жизни луговых растений. Погодные условия вегетационных периодов за 2013-2014 гг. отличались между собой и охватывали все особенности природно-климатических условий долины Средней Лены. Следует отметить, что в период взятия почвенных проб для определения накопления в них корневой массы, элементов питания, валовой энергии и энергоемкости почв на десятилетнем бобово-злаковом агрофитоценозе, вегетационный период 2013 г. был наиболее влажным при ГТК 0,90. В этот период весной и в первой половине лета выпали обильные дожди, и количество выпавших осадков за вегетационный период достигло 234 мм против нормы 161-170 мм. Переменно-влажным был 2014 год при ГТК 0,70 с засушливой весной и дождливым летом. Таким образом, на Мархинском стационаре погодные условия за 2013-2014 годы были различными по температурному режиму и выпавшим осадкам, что значительно повлияли на рост и развитие растений, формирование урожайности бобово-злакового, накопление и деятельность корневых систем луговых трав.

Все учеты и наблюдения проводились по "Методике опытов на сенокосах и пастбищах" [7, 8]. Статистическую обработку данных по урожайности проводили методом дисперсионного анализа по Б.А. Доспехову [5]. Химический состав сенокосного корма и корневой массы определена на ИК-анализаторе NIR SCANNER в лаборатории биохимии ЯНИИСХ им М.Г. Сафронова. Оценка потоков энергии в луговых фитоценозах проводилась по методике "Методическое руководство по оценке потоков энергии в луговых агроэкосистемах", Москва, 2007 [9].

Результаты исследования и их обсуждения

Исследования по оценке средообразующего потенциала сеяных агрофитоценозов проведены на посевах люцерно-кострецового агрофитоценоза десятого года жизни (посев 2004 г.). Нами установлено, что продуктивность люцерно-кострецового агрофитоценоза в условиях долины средней Лены определялась степенью влагообеспеченности летних периодов, режимом питания и биологическими особенностями сеяных видов.

В условиях мерзлотных, пойменных, дерново-черноземных почв в долине средней Лены максимальная урожайность бобово-злакового агрофитоценоза с содержанием сеяных злаков до 35% и люцерны до 51% сформирована при органоминеральном режиме питания (перегной 40 т/га 1 раз в 4 года и ежегодно N120PK60) - 24,5 ц/га сухого вещества, что превышало контроль без удобрений в 1,5 раза. При этом высокий потенциал продуктивности бобово-злакового агрофитоценоза получен при органоминеральном режиме питания: по сбору обменной энергии - 21,3 ГДж, кормовых единиц - 1568 и сбору сырого протеина - 428 кг с 1 га. Содержание переваримого протеина в бобово-злаковом агрофитоценозе было повышенным от 118 до 124 г, что превышало зоотехническую норму (105 г.) (Таблица 1).

Корневая система луговых растений обеспечивает не только поступление питательных веществ их почвы в надземную часть агрофитоценозов, но и оказывает значительное последействие на изменение плодородие почвы в результате накопления и разложения корневой массы. Накопление подземной массы и минеральных веществ бобово-злаковыми агрофитоценозами доказало, что на процесс дернообразования под сеяным травостоем происходит более интенсивно с учетом особенностей корневой системы злаковых и бобовых видов и режима питания.

Таблица 1. - Продуктивность сеяного бобово-злакового агрофитоценоза в зависимости от режима питания, в среднем за 2013-2014 гг.

С учетом погодных условий и влажности почв на содержание корневой массы и валовой энергии значительно повлиял органоминеральный режим питания. Бобово-злаковый агрофитоценоз после 10 летнего сенокосного использования в почве сформировалось до 140 ц/га подземных органов при среднегодовых темпах накопления сухого вещества до 24,5 ц/га (Таблица 2).

При этом в общем запасе подземной массы бобово-злакового агрофитоценоза содержалось азота до 26,6 ц/га и подвижного фосфора до 33,6 кг/га, что может служить источником питания для сеяных трав. Содержание валовой энергии в корневой массе сеяных трав изменялось от 13,5 до 14,0 МДж/кг в зависимости от режима питания и погодных условий вегетационных периодов.

Таблица 2. - Накопление подземной массы и минеральных веществ бобово-злаковым агрофитоценозом в зависимости от режима питания (десятый год жизни)

Содержание валовой энергии в луговых экосистемах характеризует роль антропогенных факторов в сочетании с фотосинтезом на накопление органической массы в почве. При этом в корневой массе бобово-злакового агрофитоценоза содержалось азота в 1,3 раза и фосфора в 1,6 раза больше, чем без удобрений (контроль). Значительное поступление элементов питания из мерзлотных пойменных дерново-черноземных почв обусловлено положительным влиянием удобрений, особенно органических, которые способствуют разложению целлюлозы, составляющей основу мертвых корней и других органических веществ, за счет этого повышается целлюлозолитическая активность мерзлотных почв. Следовательно, бобово-злаковые агрофитоценозы при органоминеральном питании служат источниками питания в течение 10 лет использования сенокосного луга.

Исследования по оценке закрепления валовой энергии в корнях сеяных растений показали, что данный показатель зависел от вида трав, режима питания и особенностей корневых систем изучаемых (Таблица 3). Максимальное закрепление валовой энергии в корнях получено в бобово-злаковом агрофитоценозе при органоминеральном режиме питания (перегной 40 т/га 1 раз в 4 года + N120PK60 ежегодно) до 157,1 ГДж/га, при этом накопление массы корней достигало 140,3 ц/га и при среднегодовых темпах накопления сухого вещества до 24,5 ц/га.

Таблица 3. - Влияние различных доз удобрений на накопление валовой энергии в подземной массе бобово-злакового агрофитоценоза в слое почвы 0-20 см

При этом соотношение валовой энергии в подземной части к надземной приближалось к единице. При этом процессы новообразования, отмирания и разложение корней в бобово-злаковом агрофитоценозе проходят в почти в равновесном состоянии. Следует отметить, положительную роль биологического фактора - симбиотическая активность клубеньковых бактерий на корневой системе люцерны, которая влияет на микробиологическую деятельность мерзлотных почв.

Доля валовой энергии, полученной за счёт фотосинтеза в общем продукционном процессе, определяли по разнице между сбором валовой энергии в урожае трав и суммой затрат антропогенной энергии. Наиболее высокий АК окупаемости сбором валовой энергии на создание, приемы ухода и заготовку сена получен в бобово-злаковом агрофитоценозе без внесения удобрений и достигает на контроле 5,5 раза. Данный показатель связан с факторами интенсификации луговодства, особенно при использовании удобрений. (Таблица 4.) Применение органо-минеральных удобрений снижает АК по сбору валовой энергии до 1,2-1,9 раза за увеличения урожайности в 1,4 раза. Отношение прибавки валовой энергии к показателям фотосинтетически активной радиации (ФАР), которая характеризует мобилизацию солнечной энергии в надземной растительной массе бобово-злакового травостоя при различных режимах питания составило от 0,02 до 0,10%.

Таблица 4 - Агроэнергетическая эффективность по сбору валовой энергии в бобово-злаковом агрофитоценозе на мерзлотных пойменных дерново-черноземных почв долины средней Лены

Исследования установили, что природный источник (ФАР), как определяющий фактор производства валовой энергии в бобово-злаковом агрофитоценозе был повышенным в травостоях без удобрений и достигал от 81%. При этом коэффициент использования ФАР по мере улучшения режима питания бобово-злаковых трав уменьшился в 5 раз.