Нитрификационная способность почв Удмуртии и ее связь с урожайностью сельскохозяйственных культур

Акционерное общество «Июльское» Ижевская ГСХА располагается в восточной части Удмуртской Республики и юго-западной части Воткинского района. Центральная усадьба учхоза находится в 31 км от столицы республики города Ижевска, в 35 км от районного центра города Воткинска.

Предприятие расположено в зоне умеренно - континентального климата с продолжительной холодной многоснежной зимой и коротким теплым летом.

По территории учхоза проходит железнодорожная линия сообщением Ижевск - Воткинск. Железнодорожная станция Июль находится на расстоянии 1 км от Центральной Усадьбы. В 5 км от Центральной Усадьбы проходит автотрасса Ижевск-Воткинск. Значительную часть в структуре дорог по территории учхоза составляют дороги с твердым и усовершенствованным покрытием.

Общая площадь земель, используемых Учхозом, 6067 га, в том числе сельскохозяйственных угодий - 5735 га, из них пашня - 5290 га. Из общей площади сельскохозяйственных угодий 5487 га находятся в собственности Общества.

Почвенный покров хозяйства представлен в основном дерново-подзолистыми почвами - 72,1% от общей площади хозяйства или 95,2% от площади пашни. Наибольшее распространение получили дерново-сильноподзолистые почвы различного гранулометрического состава (средне-легкосуглинистые, супесчаные и песчаные) - 89,7 % от площади пашни. Дерново-средне и сильноподзолистые почвы занимают 3,3% площади учхоза или 5,5% пашни; серые лесные оподзоленные средне- и тяжелосуглинистые, соответственно, 4,4% и 4,0%; дерново-карбонатных тяжелосуглинистых почв - незначительные площади.

Гидрография территории учхоза рассечена множеством оврагов, в основном заросших лесом, по дну которых протекают ручьи, впадающие в реку Июль. На территории села, имеется памятник природы - родник «Июльский». Так же на территории насчитывается около 4х родников общественного пользования.

Данной местности характерна расчлененность рельефа, оврагообразование, близким залеганием грунтовых вод, заболачиванием, наличием месторождений полезных ископаемых, а также грунтов с ослабленной несущей способностью.

В юго-западной половине района в составе травянистой растительности встречаются виды, характерны для северных луговых степей [Ковриго В.П., 2004]. Из древесной растительности в большинстве преобладают хвойные (ель, сосна, пихта, лиственница) и твердолистные (береза, осина, липа, ольха, тополь) растения.

Среднемесячная температура самого холодного месяца -14С, самого теплого 18,5С. Дата последних заморозков 20 мая. Период с температурой выше 0С длится до 200 дней. Весенний и осенний переход температуры воздуха через 5С, характеризующий начало и конец вегетационного периода, длится от 157 до 166 дней. Переход средней температуры воздуха через 10С, показывающей начало и окончание периода активной вегетации растений, длится 125…135 дней. Сумма среднесуточных температур за период активного роста, характеризующая обеспеченность вегетационного периода теплом, равняется 1900…2100С. Годовая сумма выпадающих осадков составляет 400…500 мм. Зима длится 5 месяцев. Она наступает приблизительно во второй декаде ноября, с преобладанием умеренных морозов и ветров с юго-западным и западным направлениями. Мощность снежного покрова ко второй половине марта достигает 45…55 см. Почва промерзает на глубину 65…90 см, на заснеженных участках до 1 метра. Преобладающее направление ветра: зимой - юго-западное, летом - западное. Коэффициент увлажнения 1,1, тип водного режима - сезонно промывной.

Метеорологические условия вегетационного периода 2017 г. значительно отличались от среднемноголетних данных (таблица 3, Агроклиматические условия в Удмуртии…, 15.09.2017).

Таблица 1 - Метеорологические условия вегетационного периода 2017 г. (по данным Ижевской ГМС)

По данным Ижевской ГМС за 2017 год температура воздуха в начале вегетационного периода - с мая по июль, значительно ниже среднегодичных данных, при этом количество выпавших осадков было выше нормы ГТК составил в мае - 2, июне - 4,7, июле - 2,4, что соответствует избыточному увлажнению.

Вторая половина вегетационного периода отличалась температурой воздуха выше нормы и количеством осадков ниже нормы, ГТК при этом составил в августе 1, что соответствует слабой засушливости. Данные условия можно считать благоприятными для роста и развития культур совместного посева.

2.2 Методика проведения исследований

В 2017 г. исследования по данной теме были проведены на территории землепользования АО «Июльское» Ижевская ГСХА». В полевых исследованиях изучали нитрификационную способность почв, другие агрохимические свойства пахотного слоя и их связь с урожайностью кукурузы.

Для проведения исследований были выбраны производственные посевы ячменя, расположенные на участке с кадастровым номером 12014. На рисунке 1 представлена фотография исследуемого участка в виде космоснимка.

Рисунок 1. Космоснимок исследованного участка с ключевыми площадками (АО «Учхоз Июльское ИжГСХА», 2017)

Судя по рисунку, уровень плодородия не выровнен. В южной и юго-западной частях поля происходит ускоренный смыв почвы даже при использовании почвозащитной системы земледелия. Это хорошо видно на рисунке. Крутизна склона составляет в основном 3-5о. Почвенный покров представлен среднесмытыми дерново-подзолистыми легко- и суглинистыми почвами. Северо-восточный склон более пологий (около 1о), слабо подвержен эрозионным процессам. Здесь располагаются слабосмытые дерново-подзолистые среднесуглинистые почвы.

Исследуемое пахотное угодье имеет площадь 120 га. Исходя из космоснимка и полевых рекогносцировочных исследований, мы выделили 24 ключевые площадки размером 10 м Ч 10 м. В таблице 1 приведены координаты ключевых площадок, которые были установлены с помощью GPS-навигатора ОRIGON-550Т. Точность позицирования составляла не менее 3 метров.

Таблица 2 - Координаты ключевых площадок на исследованном участке (ОАО «Учхоз Июльское ИжГСХА», 2017)

Полевой этап наблюдений был проведен 25-26 августа 2017 г. Определение урожайности кукурузы на ключевых площадках выполняли с 4-х кратной повторностью (площадь 1,4 м2). Дополнительно в первой повторности устанавливали высоту всех растений на учетной площади. В этих же местах отбирались почвенные пробы с глубины 0-20 см.

В 2018 г. исследования по данной теме были продолжены в ООО «Экоферма «Дубровский» Киясовского района и АО «Июльское» Ижевская ГСХА». Проводилось изучение нитрификационной способности различных типов почв, наиболее распространенных на территории этих сельскохозяйственных предприятий.

Отбор почвенных проб производилась в 5 мая 2018 г. В таблице 3 приведены типы исследуемых почв и их координаты на местности.

Таблица 3 - Координаты ключевых площадок на исследованном участке (ООО «Экоферма «Дубровский», 2018)

Отбор почвенных образцов осуществлялся на глубину до 1 м с помощью почвенного бура, послойно через каждые 20 см.

Агрохимические анализы выполнены в аналитической лаборатории агрономического факультета по следующим методикам.

Определение нитрификационной способности почв по методу Кравкова и в модификации Макарова;

Определение рН солевой вытяжки - потенциометрическим методом.

Определение гидролитической кислотности по методу Каппена в модификации ЦИНАО [ГОСТ 26212-91].

Определение суммы поглощенных оснований по методу Каппена.

Степень насыщенности почв основаниями (V) [ГОСТ 27593-88, 2008].

Емкости катионного обмена (ЕКО) [ГОСТ 17.4.4.01-84, 2008].

Определение подвижных форм фосфора и калия по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО [ГОСТ 26207-91].

Определение содержания органического вещества (гумуса) в почве - титриметрическим методом по Тюрину [ГОСТ 26213-91].

Содержание нитратного азота в почве - потенциометрическим методом в вытяжке 1 % раствора KAl(SO4)2 [ГОСТ 26951-86].

Содержание обменного аммонийного азота в почве - колориметрическим методом в вытяжке 1 н КС1 [ГОСТ 26489-85].

Определение содержания минерального азота в почве.

Показатель почвенного плодородья (Кпп).

Показатель почвенного плодородия рассчитывался с учетом агрохимических показателей почвы по следующей формул:

где Кпп. - показатель почвенного плодородия; (гумус), (рНKCl), (Р2О5), (К2О) - агрохимические показатели; ф. - фактическое значение агрохимических показателей; опт. - оптимальное значение агрохимических показателей. Математическая обработка экспериментальных данных проведена методом дисперсионного, вариационного и регрессионно-корреляционного анализов с использованием компьютерных программ (EXCEL).

2.3 Результаты исследований

нитрификационный почвенный урожайность кукуруза

Нитрификационная способность основных типов почв Удмуртии.

Установлено, что нитрификационная способность исследованных почв сильно отличалась. В 20-ти сантиметровом слое нитрификационной способностью дерново-подзолистых почв варьировала от 6,1 до 20,1 мгN/кг. Более высокой способностью накапливать нитраты в процессе компостирования обладает дерново-среднеподзолистая легкосуглинистая почва, которая характеризуется меньшей кислотностью по сравнению с другими образцами дерново-подзолистых почв. Как известно, нитрификационная способность почв существенно зависит от кислотно-щелочной характеристики среды [Макаров В.И., 2016].

Таблица 4 - Нитрификационная способность в различных почвах Удмуртской Республики, мгN/кг

Серые лесные почвы Удмуртии обладают нитрификационной способностью, соответствующей низкому и среднему уровню. Образец серой лесной почвы, отобранной в АО «Июльское» Ижевской ГСХА» имел нитрификационную способность всего 5,4 мгN/кг, близкую к дерново-подзолистым почвам. Темно-серые лесные почвы обладают более высокой активностью нитрифицирующих бактерий. Кроме того, эти почвы обладают высокой нитрификационной способностью и в подпахотных слоях. Так, в подпахотном в 20-ти сантиметровом слое, определяемый показатель имел значение 8,4 мгN/кг.

Наибольшей нитрификационной способностью среди почв Удмуртии обладают дерново-карбонатные выщелоченные. По нашим данным, исследованный образец такой почвы накопил при компостировании 21,8 мгN/кг. В эти почвах, средний уровень нитрификационной способности поддерживается и на глубине 20-40 см. В тоже время дерново-карбонатные типичные почвы обладают меньшей нитрификационной способностью в пахотном слое с резким убыванием (до 0,1-0,4 мгN/кг) вниз по профилю.

На ряду с этим, проводился анализ на содержание нитратов весной, в преобладающих почвах Удмуртии (таблица 5). Содержание нитратов в дерново-подзолистых почвах в горизонте 0-20 см изменяется в пределах от 0,6 до 5,0 мгN/кг. Обеспеченность почв нитратами в этих почвах представлена очень низким содержанием не только в верхнем слое, но и по всему почвенному профилю.

Таблица 5 - Содержание нитратов весной в различных почвах Удмуртской Республики, мгN/кг

Содержанию нитратов у серых лесных почв оказались близкими по значению с дерново-подзолистыми.

Наибольшее значение по содержанию нитратов в пахотном слое отмечается у дерново-карбонатной выщелоченной почвы, что составляет 8,3 мгN/кг. Как оказалось, дерново-карбонатная типичная почва представлена меньшим содержанием нитратов - 0,9, мгN/кг по сравнению с другими типами почв

Дополнительно был определен запас доступного азота в почве, рассчитанного по нитрификационной способности с учетом исходного содержания нитратов (таблица 5). Диапазон запаса доступного азота в пахотном слое дерново-подзолистых почв изменялся от 18,8 и до 62,7 кгN/га. Наименьший запас представлен в дерново-слабоподзолистой тяжелосуглинистой почве.

Таблица 6 - Запас доступного азота в почве, рассчитанного по нитрификационной способности с учетом исходного содержания нитратов, кгN/га

Близкие значения, как у дерновой-слабоподзолистой, получились и у серой лесной почвы. Темно-серая лесная почва отличилась высоким запасом не только в верхнем слое горизонта, но и так же в подпахотном слое.

Дерново-карбонатная выщелоченная почва отмечается наибольшим запасом азота, что составляет 90,8 кгN/га в пахотном горизонте и подпахотном 29,9 кгN/га по сравнению с другими образцами исследуемых почв. На ряду с этим, типичные дерново-карбонатные почвы представлены низким запасом доступного азота близкую по значению к дерново-подзолистым почвам.

По найденному запасу азота в изучаемых почвах, так же была рассчитана урожайность некоторых сельскохозяйственных культур.

Таблица 7 - Расчет урожайности сельскохозяйственных культур по запасу азота в почве рассчитанного по нитрификационной способности с учетом исходного содержания нитратов, т/га

При расчете прогнозируемой урожайности учитывался нормативный вынос азота кукурузой 4 кгN/т и ячменя 27 кгN/т. Коэффициент использования нитратной формы азота 65 %. Данное значение использования нитратов в питании растений приводится в публикации [Кореньков Д.А., 1990]

Связь урожайности кукурузы с нитрификационной способности почв и другими агрохимическими свойствами почв.

Влияние плодородия почв на урожайность кукурузы и ее структуру.

В исследованиях установлено, что урожайность изучаемой культуры сильно варьировала на обследованном пахотном угодье (таблица 8 и приложения А2-А4). При этом площадь питания растений отличалась не существенно. Минимальная биологическая урожайность получена на ключевой площадке 9 - всего 3,9 т/га. Средняя масса одного растения кукурузы составляла 53 г при ее высоте 53 см.

Максимальная биологическая урожайность выявлена на ключевой площадке 6 - всего 46,8 т/га, что превышает минимальное значение показателя на контроле в 12,8 раза. При этом средняя масса одного растения составила 657 г при ее высоте 2,18 м. На момент учета усредненная биологическая урожайность по 24 ключевым площадкам составила 22,8 т/га при НСР05 = 3,7 т/га.

Установлена достоверная вариабельность кукурузы, как по урожайности, так и по высоте растений и их массе.

Экспериментальные данные, полученные на 24 ключевых площадках, были преобразованы в четыре группы со следующими уровнями урожайности зеленой массы кукурузы в тоннах с одного гектара:

1) < 10,0; 2) 10,1-20,1; 3) 20,1-30,0; 4) >30,1.

Таблица 8 - Влияние плодородия почв на урожайность кукурузы и ее структуру (АО «Учхоз Июльское ИжГСХА», 2017)

Наиболее высокая вариация установлена по содержанию нитратов в почве в период уборки и нитрификационной способностью - коэффициент вариации составлял 89,4 и 60,1 % соответственно.

Наименьшее содержание нитратного азота установлено на ключевой площадке 1 - 1,4 мгN/кг. На этом же участке выявлены минимальные запасы обменного аммония и установлена очень низкая нитрификационная способность.

Таблица 9 - Нитрификационная способность и другие агрохимические показатели исследуемых почв. Кукуруза (АО «Учхоз Июльское ИжГСХА», 2017)

Причиной этого является то, что это участок подвержен сильной водной эрозией, обладает очень низкой гумусированностью. Как результат, в этой почве оказалось содержание гидролизуемого аммония всего 9,8 мгN/кг. Наибольшее содержание нитратного азота в почве ключевой площадки 5 (14,1 мгN/кг).

Была проведена группировка экспериментальных данных по урожайности кукурузы, нитрификационной способностью и другими агрохимическими показателями почв на этих же ключевых площадках (таблица 10).

Таблица 10 - Группировка урожайности кукурузы и агрохимические свойства почв

Нитрификационная способность и другие показатели азотного состояния почв, ни один из не позволил с достаточной достоверностью свидетельствовать о более высоком уровне плодородия почв.

Усредненные величины агрохимических свойств по группам урожайности чаще всего отличались не достоверно. Причиной этого, в большинстве случаев, является сильная вариабельность агрохимического показателя внутри группы по урожайности культуры. Тем не менее, выявлено достоверно высокое содержание обменного калия в почвах ключевых площадок, обеспечивающих урожайность кукурузы 20-30 т/га и более 30 т/га по сравнению с контролем.

Аналогичная закономерность установлена и по комплексному показателю почвенного плодородия. Оценку степени окультуренности почв можно выполнять по нескольким методикам. В качестве индикаторных показателей используются рН солевой вытяжки, содержание гумуса и подвижных форм фосфора и калия. Оценка степени окультуренности почв проводится по расчетному показателю Кпп - комплексному показателю почвенного плодородия (таблица 11). При значении Кпп менее 0,40 ед. почва считается низко окультуренной; 0,41-0,60 - средне-; 0,61-0,80 высоко-; более 0,81 ед. - очень высокоокультуренной.

Таблица 11 - Расчет индекса окультуренности почв по агрохимическим свойствам. Кукуруза (АО «Учхоз Июльское ИжГСХА», 2017)

* при превышении результата показателя выше оптимального уровня корректировка значения не проводилась

Очень низкий уровень плодородия, установленный по величине Кпп, наблюдается в почвах ключевых площадок 8, 9 и 13. В большинстве случаях лимитирующими величину Кпп показателями являются содержание подвижных форм фосфора и калия.

Очень высокая окультуренность зарегистрирована в почвах ключевых площадок 3, 4, 6 и 23.

Следует отметить, что часто наблюдается дисбаланс величин индивидуальных баллов отдельных агрохимических показателей. Так, в почве первой ключевой площадки по значениям рН солевой вытяжки и содержанию подвижного фосфора индивидуальные баллы соответствуют очень высокому уровню плодородия (Кпп = 0,88-0,89), а по содержанию обменного калия и гумусированности - очень низкому (Кпп = 0,14-0,23 ед.).

Таким образом, окультуренность почв, определенной по величине Кпп, на исследованном земельном угодье варьирует от очень низкого до очень высокого.

Нами не было установлено достоверной связи нитрификационной способностью почв и урожайности кукурузы (таблица 12). Нитрификационная способность исследованных почв (рисунок 2-4) в значительной степени зависела от обеспеченности почв обменным калием (r = 0,56), содержания в почве минерального азота (r = 0,43) и обменного аммония (r = 0,43).

Рисунок 2

Рисунок 3

Рисунок 4

Таблица 12 - Связь нитрификационной способности с урожайностью кукурузы и агрохимическими свойствами почв

Установлена наибольшая связь урожайности кукурузы с содержанием в почвах гумуса (r = 0,70) и обменного калия (r = 0,57) (рисунки 5, 6).

Рисунок 5

Рисунок 6

Доказано достоверное влияние на продуктивность кукурузы и многих физико-химических свойств почв (таблица 13): рН солевой вытяжки (r = 0,36), суммы поглощенных оснований (r = 0,38), емкости катионного обмена (r = 0,36) и степени насыщенности почв основаниями (r = 37) (рисунок 7-9).

Рисунок 7

Рисунок 8

Рисунок 9

В то же время, изучение нитрификационной способности почв недостоверно повлияло на урожайность кукурузы. Исключением является содержание нитратного азота в почвах (r = 0,32).

Таблица 13 - Связь урожайности кукурузы с агрохимическими показателями почв

Комплексный показатель почвенного плодородия имел достоверную положительную связь не только с показателями, используемыми для его расчета, но с физико-химическими свойствами почв (r = 0,67).

2.2 Экономическая и энергетическая оценка выращивания кукурузы на почвах с различным уровнем плодородия

Производство растениеводческой продукции должно быть выгодно не только с агрономической точки зрения, но экономической. Для расчета экономической эффективности производства силосной массы кукурузы на предприятии были разработаны две технологические карты для участков с различным уровнем комплексного показателя почвенного плодородия (приложение 2). Первая технологическая карта разработана для участка с величиной Кпп 0,26 ед., а вторая - 0,86 ед. В соответствие с уравнением регрессии, приведенном в рисунке 10 расчетная урожайность зеленой массы кукурузы, при таком уровне плодородия почв составит 8,5 и 36,8 т/га соответственно.

Рисунок 10. Связь урожайности кукурузы с комплексным показателем почвенного плодородия почв (АО «Учхоз Июльское ИжГСХА, 2017)

Расчеты экономической оценки результатов исследований представлены в таблице 14. Стоимость произведенной продукции на почве с комплексным показателем почвенного плодородия 0,86 ед. больше на 28,3 тыс.руб./га на почвах с комплексным показателем почвенного плодородия 0,26 ед. Производственные затраты на возделывание и уборку кукурузы на почве с комплексным показателем почвенного плодородия 0,86 ед. увеличились на 85,2 %. Это объясняется тем, что произошло увеличение объема работ по уборке урожая, транспортировке его до места хранения, сушки и т.д.

При производстве зеленой массы кукурузы на почвах с комплексным показателем почвенного плодородия 0,26 ед. уровень рентабельности составил -25,5 %, а на почвах с величиной показателем почвенного плодородия 0,86 ед возрос до 74,1 %. При этом себестоимость продукции снизилась на 0,61 тыс. руб./т.

Стоимостные показатели в условиях свободного ценообразования не обеспечивают необходимый уровень объективности. Более надежные результаты может дать использование энергетических показателей (таблица 15).

Таблица 14 - Экономическая эффективность возделывания кукурузы на почвах с различным уровнем плодородия (АО «Учхоз Июльское ИжГСХА, 2017)

Таблица 15 - Энергетическая эффективность возделывания кукурузы на почвах с различным уровнем плодородия (АО «Учхоз Июльское ИжГСХА, 2017)

Из данных таблицы видно, что количество энергии в урожае выше, чем затрачено ее на выращивание. Следовательно, в обоих случаях производство зеленой массы кукурузы является энергетически эффективным.

Затраты энергии на получение 1т продукции уменьшаются на 0,67 ГДж, а количество энергии увеличивается с повышением комплексным показателем почвенного плодородия на 116,0 ГДж/га.

Коэффициент энергетической эффективности повышается на 5,01 ед. (41,3 %).

Заключение

На основе проведенных исследованиях...