РЕФЕРАТ

Отчет 183 с., 1 кн., 4 раздела, 21 рис., 44 табл., 128 источ., 8 прил.

Перечень ключевых слов: органическое сельское хозяйство, устойчивое развитие сельских территорий, показатели плодородия почвы, сорные растения, урожайность.

Настоящий отчет представляет собой законченную научную работу, подготовленную на основе полевых и лабораторных исследований по утвержденной Министерством сельского хозяйства Российской Федерации теме: «Разработка органических технологий производства сельскохозяйственных культур и оценка их эффективности на дерново-подзолистых почвах Нечерноземной зоны Российской Федерации».

Объектами исследований, согласно теме, были: технология возделывания кормовых культур – экстенсивная, интенсивная, высокоинтенсивная, органическая и биологизированная; биопрепараты (Гумат калия, Байкал ЭМ-1, Органик-агро, Оргавит).

Цель научно-исследовательской работы – разработка органических технологий производства сельскохозяйственных культур и оценка их эффективности на дерново-подзолистых почвах Нечерноземной зоны Российской Федерации.

Методы исследования: методология исследований заключается в проведении полевых опытов и лабораторных исследований по традиционным методам, применяемым в агрономии. Для математической обработки экспериментальных данных использовали методики Б. А. Доспехова и прикладные программы Microsoft Excel, Disant, Statistica.

Основные результаты исследований и их новизна:

1. Проведено теоретическое обоснование объективной необходимости внедрения органического производства как ключевого элемента устойчивого развития сельских территорий.

2. Впервые в полевом многофакторном опыте проведена оценка влияния органической технологии возделывания кормовых культур в семипольном кормовом севообороте, базирующейся на системе ресурсосберегающей поверхностно-отвальной обработки почвы и органических удобрениях (солома и сидераты), на показатели плодородия дерново-подзолистой почвы (агрохимические, агрофизические, биологические), фитосанитарное состояние и продуктивность культурных растений в сравнении с системами земледелия разной степени биологизации и интенсификации. Установлено, что применение органической технологии возделывания в семипольном кормовом севообороте способствовало накоплению органического вещества почвы, улучшению ее агрофизических и биологических показателей плодородия, формированию фитосанитарного состояния посевов на безопасном уровне для роста и развития культурных растений при более высокой экономической эффективности их производства. Так, возделывание кормовых культур по органической технологии способствовало снижению себестоимости 1 ц к.ед. по сравнению с контролем на 7,5%, а по сравнению с интенсивной технологией – на 5,59%, уровень рентабельности производства сельскохозяйственной продукции по органической технологии составил 125,12%, что на 16,88 процентных пунктов выше, чем в контроле, и на 12,59 процентных пунктов – по сравнению с производством сельскохозяйственной продукции по интенсивной технологии.

3. Проведены полевые исследования с целью установления эффективности обработки посевного материала перспективных культур полевого севооборота препаратами Байкал ЭМ-1 и Гумат калия в части влияния данного приема на изменения биологических свойств почвы, устойчивость к стресс-факторам культурных растений и их развитие, а также урожайность в условиях дерново-подзолистых почв Ярославской области. Установлено, что обработка посевного материала раствором биопрепарата Байкал ЭМ-1 способствовало тенденции улучшения биологических свойств почвы, снижения вредоносности фитопатогенов, оптимизации условий роста и развития культурных растений, что в итоге обусловило получение прибавки урожайности семян выращиваемых культур в среднем на 21,5%.

4. Проведена диагностика показателей почвенного плодородия и фитосанитарная оценка территории ООО «Агропарк «Ясенево» Ярославской области (предприятие ориентировано на органическое производство), где был заложен полевой эксперимент по изучению биопрепаратов (Байкал ЭМ-1, Органик-агро, Оргавит) на ремонтантной малине, и проведена оценка эффективности их использования. Установлено, что применение биопрепарата Органик-агро на ремонтантной малине способствовало незначительному снижению сопротивления пенетрации почвы и численности сорных растений. Все изучаемые биопрепараты вели к увеличению сахаров в ягодах малины. Наибольшая продуктивность малины наблюдалась при использовании препарата Оргавит – 401,7 г/куст.

Область применения результатов – сельскохозяйственные предприятия Ярославской области и других областей Нечерноземной зоны Российской Федерации, высшие учебные заведения и научно-исследовательские институты сельскохозяйственного профиля.

Результаты НИР внедрены в производство ООО «Агропарк «Ясенево» Некрасовского муниципального района и ООО Племзавод «Родина» Ярославского муниципального района Ярославской области, что подтверждается актами внедрения (приложения А и Б).

Уровень значимости НИР – всероссийский, поскольку производство органических продуктов питания становится неотъемлемой частью отечественной сельскохозяйственной экономики и важным драйвером устойчивого развития сельских территории, что требует разработки и адаптации органических систем земледелия применительно к различным природным и социально-экономическим условиям Российской Федерации.

Прогнозные предположения о развитии объекта исследования.

Органическая технология производства культур кормового севооборота, базирующаяся на системе ресурсосберегающей поверхностно-отвальной обработке и удобрениях в форме соломы и сидератов, а также обработка посевного материала раствором биопрепарата Байкал ЭМ-1 могут быть использованы на дерново-подзолистой почве сельскохозяйственных предприятий Нечерноземной зоны Российской Федерации, ориентированных на производство органической продукции. Вместе с тем, для формирования всесторонней оценки данных технологий и биопрепаратов требуется более длительное изучение данных вопросов на базе полевого многофакторного опыта.

С целью формирования практических рекомендаций по использованию биопрепаратов на малине и других культурах в условиях ООО «Агропарк «Ясенево» Ярославской области требуется продолжение научных исследований по данной тематике.

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В настоящем отчете о НИР использовались следующие термины с соответствующими определениями:

Агрофитоценоз (полевой фитоценоз) – совокупность культурных и сорных растений посева, характеризующаяся определенным составом, строением и взаимодействием, и сформировавшуюся на сравнительно однородной и в экологическом отношении сельскохозяйственной территории.

Адаптивно-ландшафтная система земледелия (адаптивные технологии) – сложный комплекс экологически безопасных технологий производства растениеводческой продукции и воспроизводства плодородия почвы, обеспечивающих агрономическую и экономическую эффективность использования агроландшафтов конкретного хозяйства на основе агроэкологической группировки земель.

Биологическая активность почв – совокупность биологических процессов в почве. О ней судят по интенсивности дыхания почвы (потребление кислорода, выделение углекислоты), ферментативной активности почвы и другим показателям.

Биопрепараты – препараты растительного, бактериального и грибного происхождения, применяемые для стимуляции роста и защиты растений.

Вредоносность сорняков – ущерб, причиняемый сельскохозяйственным культурам сорняками и определяемый количеством потерянной продукции или ухудшением ее качества.

Вспашка – прием обработки почвы плугами, обеспечивающий оборачивание обрабатываемого слоя не менее чем на 135° и выполнение других технологических операций.

Гербициды – химические средства борьбы с нежелательной растительностью.

Гранулометрический состав – процентное содержание в абсолютно сухой почве механических элементов.

Гумификация – это процесс образования специфических гумусовых веществ в результате трансформации органических остатков.

Гумус – совокупность всех органических соединений, находящихся в почве, но не входящих в состав живых организмов или образований, сохраняющих анатомическое строение.

Дегумификация – процесс разрушения почвенного гумуса в результате действия аэробных микроорганизмов-минерализаторов.

Дисперсионный анализ – метод в статистике, направленный на поиск зависимостей в экспериментальных данных путем исследования значимости различий в средних значениях.

Жужелицы (лат. Carabidae) – одно из самых больших и многочисленных семейств жуков. Число видов мировой фауны по разным оценкам колеблется от 25000 до 50000, в том числе в России и сопредельных странах уже сейчас известно более 3000 видов.

Здоровье почвы – способность почвы в течение длительного времени функционировать в качестве компонента наземной экосистемы, обеспечивая ее биопродуктивность и поддерживая качество воды и воздуха, а также здоровье растений, животных и человека.

Интенсивная система удобрения предполагает такое удобрение почвы, когда обеспечивается максимальный выход продукции при сокращении затрат на единицу продукции.

Корреляция, корреляционная зависимость (связь) – статистическая взаимосвязь двух или нескольких случайных величин (либо величин, которые можно с некоторой допустимой степенью точности считать таковыми). При этом изменения значений одной или нескольких из этих величин сопутствуют систематическому изменению значений другой или других величин.

Коэффициент структурности почвы – безразмерная величина, представляющая собой отношение массы макроструктуры почвы (частицы 0,25–10 мм) к сумме масс частиц более 10 мм и менее 0,25 мм.

Ландшафт сельскохозяйственный – антропогенно-природный ландшафт, обусловленный сельскохозяйственной деятельностью, в котором природная основа сочетается с производственной и социальной инфраструктурой (бывает культурный, акультурный, в т.ч. деградированный).

Малолетние сорные растения – сорняки, которые размножаются только семенами и полностью отмирают после плодоношения, продолжительность их жизни не более двух лет. Исходя из предпочитаемых экологических условий и ритма развития, выделяют следующие биогруппы этих сорняков: эфемеры, яровые ранние, яровые поздние, зимующие, озимые и двулетние.

Минимизация обработки почвы – см. обработка почвы минимальная.

Минерализация органического вещества почвы – процессы преобразования сложных органических веществ в более простые минеральные.

Многолетние сорные растения – растения, которые в течение жизни цветут и плодоносят многократно. В зависимости от способности к семенному и вегетативному размножению выделяют биогруппы: стержнекорневые, мочковатокорневые, ползучие, луковичные, клубневые, корневищные, корнеотпрысковые.

Наименьшая существенная разница (НСР) – это наименьшая разность между средними значениями (обычно), при превышении которой разница между этими значениями считается статистически значимой (существенной, достоверной).

Обработка почвы – воздействие на нее рабочими органами машин и орудий в целях создания оптимальных условий для жизни сельскохозяйственных растений, уничтожения сорняков и защиты почвы от водной и ветровой эрозии.

Обработка почвы минимальная – обработка почвы, обеспечивающая уменьшение энергетических, трудовых или иных затрат путем уменьшения числа, глубины и площади обработки, совмещения операций.

Обработка почвы основная – это первая более глубокая обработка после уборки предшествующей культуры.

Обработка почвы отвальная (классическая отвальная система основной обработки почвы) – обработка почвы отвальными орудиями с полным или частичным оборачиванием пахотного слоя с предварительным лущением стерни после уборки культурных растений.

Обработка почвы безотвальная – обработка почвы без оборачивания обрабатываемого слоя.

Обработка почвы поверхностная – обработка почвы на глубину менее 8 см.

Обработка почвы ресурсосберегающая – это обработка почвы, сберегающая ресурсы (трудовые; ископаемые – ГСМ, удобрения; почвенные).

Окультуривание – процесс целенаправленного изменения свойств почвы в благоприятную сторону путем применения приемов воздействия на почву.

Органическое вещество – вся совокупность органических соединений, присутствующих в почвах.

Органическая продукция – продукция растительного, животного, микробного происхождения, а также аквакультуры в натуральном, обработанном или переработанном виде, употребляемая человеком в пищу, используемая в качестве корма для животных, посадочного и посевного материала, произведенная в соответствии с принципами производства органической продукции;

Органическое сельское хозяйство – производственная система, которая улучшает экосистему, сохраняет и улучшает плодородие почвы, защищает здоровье человека и, принимая во внимание местные условия и опираясь на экологические циклы, сохраняет биологическое разнообразие, не использует вещества, способные нанести вред окружающей среде.

Пахотный слой (горизонт) – слой почвы, который ежегодно или периодически подвергается сплошной обработке на максимальную глубину.

Переуплотнение почв – процесс изменения сложения почвы под воздействием высоких механических нагрузок (тяжелой техникой, перевыпасом скота и др.) вследствие разрушения агрегатов и сближения почвенных частиц, приводящих к более плотной их упаковке и уменьшению порового пространства.

Плодородие почвы – способность почвы на основе ее свойств служить средой обитания для растений и быть источником и посредником в использовании земных факторов жизни для обеспечения производства экологически безопасной продукции (урожая).

Плотность почвы оптимальная – плотность сложения почвы наиболее благоприятная для роста и развития определенной сельскохозяйственной культуры.

Плотность почвы равновесная – плотность сложения длительно необрабатываемой почвы.

Плотность сложения – масса единицы объема абсолютно сухой почвы, взятой в естественном сложении, выраженная в г/см³.

Пожнивно-корневые остатки – корни, нижние части стеблей, опавшие листья и т.п. остатки от жатвы на полях.

Показатели обилия сорных растений – численность (количество сорных растений на 1 м²), сухая масса (масса сорных растений, высушенная до постоянной массы при температуре 105°С, выраженная в граммах на 1 м²), структура сорного компонента (процентное соотношение количества отдельных видов сорных растений в сообществе от общей их численности), видовой состав (виды сорных растений, составляющих сообщество).

Производственные затраты – совокупные затраты всех видов на 1 га.

Себестоимость – производственные затраты в денежном выражении на 1 ц или т продукции.

Севооборот – это научно обоснованное чередование с.-х. культур и чистого пара во времени и на территории или только во времени.

Сельскохозяйственное угодье – земельные площади, территории, объединенные в крупные группы. Объединение идет по технологии выращивания и использования. Выделяют угодья: пашня, естественные сенокосы, естественные пастбища, многолетние насаждения (сады, виноградники), залежи.

Система земледелия – научно-обоснованный комплекс методов и технологий производства продукции растениеводства, адаптированный к агроландшафтам и ресурсно-энергетическому потенциалу хозяйства, обеспечивающий оптимальную агроэкологическую эффективность.

Система обработки почвы – совокупность приемов, выполняемых в определенной последовательности при возделывании культуры или в паровом поле с целью оптимизации почвенных режимов и фитосанитарного состояния применительно к условиям агроландшафта.

Система удобрений – комплекс агрономических и организационных мероприятий, направленных на использование органических и минеральных удобрений с целью повышения урожая и его качества и воспроизводства плодородия почвы.

Сложение почвы – это взаимное расположение почвенных частиц и комков. Сложение характеризует плотность (объемную массу) почвы: рыхлая < 1,15 г/см³, плотная – 1,15–1,35 г/см³, очень плотная >1,35–1,7–2 г/см³.

Сорные растения – дикорастущие растения, обитающие на сельскохозяйственных угодьях и снижающие величину и качество продукции (ГОСТ 16265-89).

Структура почвы – это форма и размер структурных отдельностей в виде макроагрегатов (педов) размерами >0,25 мм, на которые распадается почва.

Твердость почвы (сопротивление пенетрации, сопротивление проникновению) – способность почвы противостоять сжатию, расклиниванию.

Удобрения – вещества, применяемые для улучшения питания растений, свойств почвы, повышения урожаев.

Уровень рентабельности производства – отношение прибыли (чистого дохода) к производственным затратам, выраженное в процентах.

Устойчивое развитие – это развитие, которое обеспечивает потребности настоящего времени и при этом не ставит под угрозу способность будущих поколений удовлетворять свои потребности.

Устойчивое развитие сельских территорий – стабильное социально-экономическое развитие сельских территорий, увеличение объема производства сельскохозяйственной и рыбной продукции, повышение эффективности сельского хозяйства и рыбохозяйственного комплекса, достижение полной занятости сельского населения и повышение уровня его жизни, а также рациональное использование земель.

Ферменты – обычно белковые молекулы или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции в живых системах.

Фитоценоз (Ф.) – растительное сообщество, совокупность растительных организмов на относительно однородном участке, находящихся в сложных взаимоотношениях друг с другом, с животными и с окружающей средой. Каждый Ф. – система определенного состава (как правило, из многих экологически и биологически различных видов) и определенной структуры, которые сформировались в результате отбора видов растений, способных существовать совместно друг с другом и с животными в данных условиях среды, а во многих случаях и при определенном воздействии человека.

Целлюлоза – полисахарид, главная составная часть клеточных оболочек всех высших растений.

Чистый доход – разница между стоимостью продукции и производственными затратами на получение этой продукции.

Энергосбережение в земледелии – уменьшение затрат совокупной энергии на единицу продукции без ухудшения ее качества и без снижения урожайности при экологической сбалансированности систем и сохранении почвы от деградации.

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

АПК – агропромышленный комплекс

НИР – научно-исследовательская работа

НСР₀₅ – наименьшая существенная разница на 5%-ном уровне значимости

РФ – Российская Федерация

ФГБОУ ВО Ярославская ГСХА – Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ярославская государственная сельскохозяйственная академия»

К₂О – обменный калий почвы

NPK – азот, фосфор, калий (элементы питания, полное минеральное удобрение)

Р₂О₅ – подвижный фосфор почвы

рН – обменная кислотность почвы

ООО – общество с ограниченной ответственностью

КРС – крупный рогатый скот

ВВЕДЕНИЕ

Органическое сельское хозяйство является наиболее динамично развивающимся направлением. На сегодняшний день в мире насчитывается 179 стран, которые занимаются производством органической продукции, где занято более 2 млн производителей. Из них 89 стран имеют собственные нормативно-правовые акты, регламентирующие производство и оборот органической продукции. Ежегодно увеличение органического производства составляет 10–15%. В таких развитых странах, как Австрия, удельный вес площадей под органическими сельскохозяйственными культурами составил 21,9%, в Швеции – 18,0, Италии – 14,5, Швейцарии – 13,5, Чехии – 11,5, Финляндии – 10,0% [1].

Развитие органического хозяйства у нас в стране по сравнению с другими странами долгое время носило достаточно стихийный характер [2]. Только в 2014–2016 гг. принимаются государственные стандарты, а в августе 2018 г. – Федеральный закон № 280-ФЗ «Об органической продукции и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», который вступил в силу 01.01.2020 г. и регламентирует производство, хранение, транспортировку, маркировку и реализацию органической продукции. Все это требует разработки и адаптации технологий органического производства в агроландшафтных условиях Российской Федерации.

Таким образом, разработка органических технологий производства сельскохозяйственных культур и оценка их эффективности на дерново-подзолистых почвах Нечерноземной зоны Российской Федерации является достаточно актуальной и востребованной производством.

Цель научно-исследовательской работы – разработка органических технологий производства сельскохозяйственных культур и оценка их эффективности на дерново-подзолистых почвах Нечерноземной зоны Российской Федерации.

Научная новизна работы состоит в комплексной оценке элементов технологии органического производства сельскохозяйственных культур на дерново-подзолистых почвах Нечерноземной зоны Российской Федерации.

Практическая значимость научных исследований подтверждается актами внедрения в ООО «Агропарк «Ясенево» Некрасовского муниципального района и ООО Племзавод «Родина» Ярославского муниципального района (приложения А и Б).

1 Органическое земледелие как ключевой элемент устойчивого
развития сельских территорий

Обеспечение устойчивого развития как в экономическом, социальном, так и экологическом плане является наиболее важной и значимой целью, которая стоит перед мировым сообществом в настоящее время. Данное положение нашло свое отражение в концептуальном документе ООН – «Повестка дня в области устойчивого развития на период до 2030 года» [3]. При этом следует понимать, что земля и почва являются особыми природными компонентами, которые все живые и неживые объекты связывают воедино, обусловливая нормальное функционирование природной среды в целом [4].

Неотъемлемой частью устойчивого развития сельских территорий является экологическое сельское хозяйство [5; 6; 7]. Сейчас экологизация и биологизация земледелия становится настоящим трендом в нашей стране [8; 9]. Органическое земледелие, основанное на принципах здоровья, экологии, справедливости и заботы, призвано сохранить данные природные компоненты экосистемы с целью устойчивого функционирования на протяжении длительного времени.

Ключевой задачей в экологизации земледелия является разработка и освоение адаптивно-ландшафтных систем земледелия, дифференцированных применительно к различным природным и социально-экономическим условиям [10].

Производство органических продуктов питания является важной частью сельскохозяйственной экономики [11].

Органическое сельское хозяйство в настоящее время поступательно развивается в России. Это связано, прежде всего, с увеличением спроса на экологически безопасные для здоровья людей продукты питания [12], так как основывается на использовании альтернативных средств производства [13].

Органическое земледелие – это один из экологически жизнеспособных подходов к сельскому хозяйству, в котором используются животные и сидераты для обеспечения питательными веществами и культурными методами борьбы с сорняками, насекомыми и патогенами [14]. Но системы органического земледелия дают более низкие урожаи по сравнению с традиционным сельским хозяйством. Тем не менее, они более прибыльны и экологически безопасны, а также дают продукты, содержащие меньше остатков пестицидов по сравнению с традиционным сельским хозяйством. Более того, научные исследования указывают на то, что органические сельскохозяйственные системы обеспечивают более высокие экосистемные и социальные выгоды [15].

При экологическом земледелии сокращается разрыв в поступлении органического вещества в почву между природными биогеценозами и агроценозами, в определенной мере компенсируется биологический круговорот веществ и биогенность почвы, обеспечивается определенный уровень биологической активности и, как минимум, исключаются явления почвоутомления, выпахивания почв, накопления токсикантов [16].

Переход к таким системам и технологиям обусловлено негативными последствиями применения пестицидов: возникновением резистентных форм фитофагов и фитопатогенов и, как следствие этого, усилением пестицидного пресса; нарушением биологического равновесия в агроценозах [17]. Использование пестицидов сопряжено с ростом токсикологического и экотоксикологического риска для среды и здоровья людей [18].

При этом в органическом земледелии разрешается использовать разнообразные биологические фунгициды и инсектициды, которые при соблюдении регламентов применения эффективны для борьбы с вредоносными объектами [19; 20].

В настоящее время представляет большой интерес влияние органических технологий на плодородие почвы. Хотя, следуя концепции устойчивого развития, следует говорить о «здоровье почвы» как более широкого понятия ее плодородия. Здоровье почвы (soilhealth) – это функциональная биологическая категория почвенной экосистемы, характеризуемая диссимиляцией и метаболизмом соединений биофильных элементов, самоочищающаяся от вредных организмов, продуктов их жизнедеятельности, химических элементов и т.д. [21]. С повышением доли токсичных веществ здоровье почвы снижается, что ведет к замедлению или прекращению размножения гумифицирующих микроорганизмов, которые способствуют увеличению концентрации гумусного азота [22].

По мнению американских ученых J. W. Doran, M. Sarrantonio, M. A. Liebig, R. G. Burns и др., здоровье почвы – это ее способность на протяжении длительного периода функционировать в качестве компонента наземной экосистемы, способствующего росту ее биологической продуктивности, и может поддерживать качество воды, воздуха, состояние здоровья человека, животных и растений. При этом отмечается, что здоровая почва, поглощая вредные для живых организмов вещества, в различной степени фиксирует и нейтрализует их [23; 24].

В данном контексте следует отметить важную функцию почвы – регулирования химического состава атмосферы, влияя таким образом в целом на экосистему и устойчивое ее функционирование.

При этом такие агроприемы, как обработка и удобрения оказывают зачастую определяющее влияние на функционирование почвы и агроэкосистемы в целом.

1.1 Минимизация обработки почвы как элемент органического земледелия

Органическое вещество и структура почвы при минимизации обработки

Известно, что обработка почвы является одним из факторов, влияющих на эмиссию углекислого газа (CO₂) в атмосферу. Исследования K. Krištof et al. свидетельствуют, что минимальные, и особенно нулевые обработки способствуют сокращению выбросов СО₂ в атмосферу на 43 и 114% соответственно [25]. По мнению Chavarria et al., отсутствие обработки почвы (NT) и возврат соломы способствует поддержанию здоровья почвы и устойчивости агроэкосистемы. В этой связи в органическом земледелии обязательно должны быть включены элементы минимизации обработки почвы, обеспечивающие устойчивое функционирование агроэкосистемы [26].

Механическая обработка, особенно ежегодная вспашка, приводят не только к сокращению, но и увеличению минерализации как органического вещества, так и гумуса [27; 28; 29]. При этом поступление органического вещества с пожнивными и корневыми остатками не может восполнить потери в полной мере [30; 31].

Многие исследователи отмечают, что применение минимальной обработки почвы наоборот способствует увеличению показателя гумуса в верхнем слое и снижению его в нижнем слое, а отвальная обработка либо не оказывает существенного влияния на изучаемый показатель, либо способствует ее снижению [32; 33; 34].

По мнению М. К. Зинченко (2016), безотвальное рыхление способствует замедлению процессов минерализации органического вещества почвы [35].

Данные, полученные Н. Л. Кураченко и А. А. Колесник (2017), показали, что минимизация основной обработки черноземов Красноярской лесостепи обуславливает достоверное увеличение на нулевом фоне запасов С гумуса в 0–20 см слое на 7 т/га, по сравнению с отвальной обработкой [36].

О секвестрации почвенного углерода при минимизации обработки свидетельствуют многочисленные зарубежные исследования.

В частности, исследования, проведенные в Индии K. Modak et al., свидетельствуют, что нулевые технологии в сочетании с удержанием растительных остатков имеет большой потенциал для увеличения глубокой секвестрации углерода в почве и устойчивости агрегатов для поддержания здоровья почвы и урожайности культурных растений [37]. При этом авторы отмечали увеличение макроагрегатов в слоях 0–5 и 5–15 см на 26 и 15% соответственно.

По данным Y. Ye et al. органическое вещество почвы в основном находилось в агрегатах почвы размером 2–8 мм [38]. Разрушение агрегатов размером 5–8 мм в результате обработки почвы привело к снижению физической защиты органического вещества почвы, что способствовало значительным потерям. Авторы отмечают, что потери органического вещества в течение первых 3-х месяцев составили примерно 70–84% от общих потерь, что указывает на то, что потеря была наиболее заметной в период начала обработки почвы.

Исследования, проведенные на юго-востоке США, свидетельствуют, что нулевая обработка увеличивала накопление органического вещества и макроагрегатов в почве по сравнению с традиционными обработками. Кроме того, содержание водоустойчивых агрегатов при нулевой системе было значительно выше (45,5–52,3%), чем при традиционной (21,9–29,1%) [39], что также указывает на связь органического вещества со структурой почвы. Как правило, нулевые технологии и возврат соломы могут увеличить макроагрегацию почвы, улучшить структурное состояние почвы, способствовать накоплению почвенного углерода и увеличить численность и разнообразие микробов в почве [40].

А. М. Гребенников и др. также отмечали увеличение запасов органического вещества и элементов питания растений в варианте с нулевой обработкой по сравнению с другими способами, что, по мнению авторов, связано с проявлением удобрительного эффекта почв при перегнивании мульчи, наносимой при нулевой обработке [41].

Поскольку структура почвы обеспечивает пути для транспортировки воды, питательных веществ и газов, а также среды обитания для микроорганизмов, это фундаментальное свойство плодородия и качества почвы [42]. Наиболее важно то, что стабильные почвенные агрегаты могут играть ключевую роль в физической защите органического вещества и поддерживать производство сельскохозяйственных культур [43; 44]. Поэтому формирование и поддержание стабильных агрегатов крайне важно для устойчивого сельского хозяйства [45]. При наличии агрономически ценной структуры почвы в ней создается благоприятное сочетание капиллярной и некапиллярной пористости. Между агрегатами преобладают некапиллярные поры, а внутри агрегатов – капиллярные [46].

А Y. Choi et al. сообщают, что нулевая технология обработки почвы может минимизировать нарушение структуры почвы, что позволяет значительно снизить коэффициент стока почвы – на 64,9% по сравнению с традиционными методами ведения сельского хозяйства [47].

В. А. Николаев и И. Ф. Биналиев, проводя исследования на опытном поле РГАУ – МСХА им. К.А. Тимирязева, установили, что технология прямого посева, по сравнению с отвальной обработкой, обеспечивает наиболее благоприятное структурное состояние корнеобитаемого слоя почвы, где содержание агрономически ценной фракции составляло 50,2%, а массовая доля водоустойчивых агрегатов – 30,4% [48]. При этом авторы отмечали, что отсутствие механического воздействия на почву при прямом посеве повышало сбор зерна пшеницы на 12,2%, по сравнению с отвальной обработкой.

Минимизация обработки почвы до нулевой приемлема не для всех почвенно-климатических условий. К тому же она, как правило, требует применения химических средств защиты растений от сорняков, что является недопустимым в органическом земледелии. В связи с этим следует определить уровни минимизации почвы в зависимости от агроландшафтных условий и требований культуры.

Опыты С. И. Зинченко на серой лесной слабооподзоленной среднесуглинистой почве свидетельствуют, что в пахотном слое наиболее благоприятные условия для формирования агрономически ценной макроструктуры (64,1%) и водопрочных агрегатов (76,6–79,4%) складывались в почве, обрабатываемой ежегодно безотвально на глубину 6–8 см [49]. Автор отмечает, что с увеличением антропогенной нагрузки количество водопрочных агрегатов уменьшается.

Вместе с тем Ю. А. Кузыченко и А. К. Кобозев отмечали, что при отвальной обработке в пахотном слое формируется наибольшее количество агрономически ценных агрегатов – 45%, тогда как при обработке фрезой – 52,3%, а при безотвальных обработках – 39,3% [50]. Авторы также фиксировали снижение водопрочных макроагрегатов при безотвальной обработке на 5% по сравнению с отвальной.

Исследования, проведенные на серой лесной почве А. А. Безменко и И. М. Щукиным, свидетельствуют, что отвальная вспашка наряду с ежегодной безотвальной обработкой на 20–22 см способствовала формированию наибольшего количества агрономически ценных агрегатов в слое 0–20 см (64,5–70,0%) по сравнению с безотвальной обработкой на 6–8 см, которая вела к увеличению доли глыбистой фракции до 43,6% [51].

Таким образом, признавая роль минимизации в сохранении органического вещества почвы, ряд исследователей указывают на ухудшение структурных показателей, что требует особого внимания при внедрении органических технологий.

1.1.2 Плотность и сопротивление пенетрации почвы при минимизации обработки

Минимизация механической обработки как неотъемлемый элемент органического земледелия может провоцировать увеличение таких агрофизических показателей, как плотность и сопротивление пенетрации (твердость) почвы [52].

В условиях серых лесных почв, по мнению Л. Г. Шашкарова и А. П. Овчинникова, вспашка зяби по сравнению с дискованием и фрезерованием почвы способствует уменьшению плотности почвы в начале вегетации зерновых культур [53].

Использование вспашки глубокой и мелкой способствует уменьшению коэффициента плотности перед посевом и в начале вегетации, по сравнению с минимальной обработкой или No-till. Стоит отметить, что в конце вегетации зерновых культур отмечается увеличение плотности на всех вышеуказанных вариантах, при этом темпы его роста при использовании более глубокой механизированной обработки превосходит другие способы [54; 55].

Применение минимальных систем обработки почвы, по мнению ряда исследователей, приводит к увеличению плотности сложения как верхнего [56; 57; 58; 59; 60], так и, особенно, нижнего пахотного слоя [61; 61; 63].

Одним из динамичных показателей, который может варьировать от влажности и уплотнения под действием тяжести и служит индикатором глубины обработки почвы, является сопротивление пенетрации (твердость) почвы [64; 65], которая связана с плотностью почвы [66]. Высокие значения данного показателя свидетельствуют о неудовлетворительных физико-механических показателях [67]. На почвах с повышенной твердостью затруднено развитие корневой системы, что может привести к угнетению или гибели растений [68; 69].

Е. В. Шеин и соавторы подчеркивают, что сокращается всхожесть семян и оказывается значительное сопротивление развивающейся корневой системе растений при высоких показателях твердости почвы. Критическим значением твердости почвы принято считать величину 30 кг/см² [70].

А. И. Цилюрик в своем исследовании указывает, что твердость почвы зависит от способа обработки почвы. Так, по фону отвальной обработки в слое 0–30 см она составляла 5,0–8,7 кг/см² и была минимальной. Использование чизелевания, плоскорезной обработки и дискования способствовало ее увеличению до 11,9; 12,1 и 13,3 кг/см² соответственно, не превышая при этом оптимальные параметры для полевых культур [71].

Исследования X. Feng et al. свидетельствуют, что обработка почвы на 30 см по сравнению с дисковой характеризовалась меньшей плотностью и сопротивлением пенетрации почвы, но большей влажностью почвы и доступным содержание азота, особенно в слое от 15 до 45 см [72].

Особенно возрастает сопротивление пенетрации почвы при проведении нулевых обработок [73]. M. Mairghany et al. указывают, что нулевая обработка имела самое высокое сопротивление пенетрации (1,69 МПа и 1,44 Мпа), в то время ка как самая интенсивная с использованием вспашки – 0,09–0,21 Мпа [74].

С. В. Усенко с соавторами, проводя исследования в условиях Алтайского края, пришли к выводу, что при переходе от глубокой к нулевой обработке урожайность овса снижалась на 0,33 т/га [75].

Перед посевом самые низкие показатели твердости почвы были отмечены на контроле и дисковом лущении – 19,5 кг/см² и 20,8 кг/см² соответственно. На прямом посеве почва была более твердой и составила 28,1 кг/см². В фазу бутонизации сои наблюдается тренд к увеличению твердости почвы. Этот показатель был выше по всем вариантам опыта на 7–8 кг/см² в сравнении с предыдущим сроком определения. К уборке культуры прослеживается аналогичная тенденция увеличения твердости почвы. В этот срок определения данный показатель составил 34,2 кг/см² на вспашке, 36,5 кг/см² – на дисковом лущении и 40,2 кг/см² – на прямом посеве [76].

Результаты исследований В. М. Гармашова и соавторов показали, что твердость почвы в посевах гороха в фазе всходов в слое 0–5, 6–10 и 11–15 см была рыхлой и составила по отвальной обработке 5,6–20,4 кг/см². В слоях почвы 16–20 и 21–25 см твердость почвы увеличивается незначительно и достигает, соответственно, 18,0–25,0 кг/см², с максимальными значениями на варианте без внесения удобрений. Аналогичный результат был получен при безотвальной обработке, когда твердость почвы была в оптимальных параметрах для возделывания гороха [77].

В результате исследований С. Г. Смирнов и соавторы выявили, что с углублением пахотного слоя твердость почвы увеличивалась, а разница между вариантами обработок была более значительной. На неудобренном фоне на глубине 5 см твердость почвы по вспашке (в среднем за 4 года) в фазе всходов составила 5,5 кг/см², по безотвальному рыхлению – 6,5, по плоскорезной обработке – 6,7 кг/см². На глубине 10 см их значения составили соответственно 8,8; 11,9 и 13,3 кг/см². Так, на глубине 25 см эти показатели составили соответственно 26,1; 27,5 и 28,7 кг/см² [78].

А данные, полученные J. Lampurlanés and C. Cantero-Martínez, указывают на то, что в первые годы после внедрения нулевой обработки наблюдается повышение плотности и сопротивления пенетрации почвы, но это не оказывает существенного влияния на рост корней в хорошо структурированных почвах [79].

По данным Я. З. Каипова и соавторов, в условиях засушливой степи Южного Урала отвальная обработка почвы вела к формированию наименьшей плотности в слое 0–30 см (1,15 г/см³), в то время как поверхностные и нулевые обработки формировали плотность на уровне 1,19 и 1,20 г/см³ соответственно [80]. Вместе с тем авторы отмечают, что поверхностная обработка способствовала получению наибольшей урожайности зерновых культур – 1,78 т/га. При этом поверхностная и нулевая обработки почвы обеспечили снижение производственных затрат на 16 и 22% соответственно, что свидетельствует об их ресурсосберегающем эффекте.

По данным С. В. Щукина и др., применение комбинированной (поверхностно-отвальной) обработки обеспечивает наибольшее содержание органического вещества в почве и способствует оптимизации ее агрофизического состояния [81].

Таким образом, внедрение минимальных технологий обработки почвы в органическом земледелии требует дифференцированного подхода в зависимости от складывающихся почвенно-климатический условий места внедрения. В противном случае это может спровоцировать увеличение плотности и сопротивления пенетрации почвы, а, следовательно, и снижение продуктивности культурных растений.

1.2 Биологические свойства почвы в органическом земледелии

Биоценозы, как естественные, так и окультуренные характеризуются определенными качественными и количественными показателями почвообитающих беспозвоночных [82].

Они являются важной составляющей биологического фактора почвообразования. Почвенные организмы участвуют в круговороте питательных веществ, в изменении физической структуры почв и водного режима, способствуют эффективному поступлению питательных веществ в растения, а также поддерживают устойчивость растений к неблагоприятным биотическим и абиотическим факторам [83]. Велика роль почвенных беспозвоночных в гумусообразовании [84].

Кроме того, благодаря высокому экологическому и видовому разнообразию, тесной связи с почвой, почвенные животные являются весьма информативными индикаторами изменений окружающей среды [85]. По их состоянию и количеству можно судить о степени загрязнения почв и состоянии экосистемы [86].

Именно поэтому активизация биологических процессов, способствующих повышению общей устойчивости агрофитоценозов, активно используется в экологически направленных системах земледелия, в том числе в органических технологиях [5].

При органическом сельскохозяйственном производстве значительно повышается биологическая активность микроорганизмов, численность и биоразнообразие педобионтов [87].

Например, немаловажным показателем для плодородия почв, особенно дерново-подзолистых, характеризующихся низким естественным плодородием, является численность червей. Как известно, они крайне положительно влияют как на агрофизические свойства – снижение плотности и твердости, улучшение структуры и водопроницаемости, так и на переработку органического вещества [88; 89; 90].

Понимание глобальных закономерностей в популяции дождевых червей имеет важное значение для прогнозирования возможных изменений как в их сообществах, так и во влиянии их на функционирование экосистемы [91].

Дождевые черви проникают в почву, строя норы, и при этом увеличивают поровое пространство, транспортируют органическое вещество при продукции копролитов, измельчают органические материалы как первый этап их разложения, обеспечивают растения питательными веществами, изменяют разнообразие и способствуют росту активности микробиального сообщества путем селективного потребления отдельных групп микроорганизмов. Дождевые черви, поглощая огромное количество мертвых растительных остатков, в своем пищеварительном тракте формируют копролиты, богатые органическим веществом – в копролитах червей естественных популяций содержится до 15% абсолютно сухого органического вещества, а в копролитах культивируемых червей – вдвое больше (от 25 до 35% в пересчете на сухое вещество) [92].

На основе многолетних наблюдений зарубежных ученых было выявлено, что структура, состав и строение почв четко определяются климатом, почвенными параметрами и качеством поступающих органических веществ (копролитов, получаемых в результате процесса пищеварения у дождевых червей) [93].

В целом увеличение содержания в почве органического вещества, полевой влажности, изменение реакции среды, снижение плотности почвы, внесение органических удобрений способствуют повышению численности и активизации деятельности дождевых червей [94].

Наиболее часто встает вопрос экологизированных средств защиты растений, основанных на использовании биоагентов, одним из таких подходов является метод привлечения энтомофагов из естественных биотопов, в частности, жужелиц. Так, американские ученые относят хищных жужелиц к ряду полезных насекомых, которые включают в себя большое многообразие видов [95].

Жужелицы – важнейший компонент полевых агроценозов. Высокая численность, видовое многообразие, многоядность определяют их роль как регуляторов численности беспозвоночных на полях [96].

Широкий круг жертв и способность питаться многими видами вредителей показывают перспективность применения жужелиц в биометоде и органическом земледелии в целом. Уклон должен быть сделан также в сторону более рационального использования сопутствующих местных ресурсов полезных макро- и микроорганизмов, других энтомофагов, встречающихся повсеместно в естественной среде обитания. Вот почему тотальные обработки посевов химическими инсектицидами должны быть исключены из практики защиты. Органическое земледелие является альтернативным решением, открывающим огромную перспективу в защите сельскохозяйственных культур на основе использования энтомофагов [97].

Система удобрения в органическом сельском хозяйстве также требует научно обоснованного подхода. Например, одним из механизмов повышения доступности элементов почвоулучшающих средств, допущенных к использованию при органическом производстве, является повышение биологической активности почвы, в том числе с помощью микробиологических и органических удобрений [98].

Из показателей, характеризующих энергию мобилизации почвенных процессов в целом, биологическую активность почвы, интерес для изучения представляет активность разложения целлюлозы [99].

Этот процесс осуществляют микроорганизмы. Они первыми реагируют на изменения почвенной среды вследствие изменения строения пахотного слоя, внесения каких-либо органических или минеральных средств, что проявляется в усилении активности микробиологических процессов [100].

Исследование целлюлозоразлагающей активности почв способствует пониманию особенностей взаимоотношения отдельных компонентов экосистемы и раскрывает ее потенциальные возможности для восстановления нарушенного природного равновесия под влиянием биотических и антропогенных факторов [101].

В целом внесение органических удобрений способствует увеличению биологической активности почвы и снижению ее токсичности [102].

Минимизация антропогенной нагрузки на экосистемы, как было указано выше, в настоящее время является объективной необходимостью. В первую очередь должна учитываться токсичность загрязняющих веществ для эффективного природоохранного управления [103].

Применяемая агротехника, в том числе удобрения, гербициды и другие ядохимикаты, влияют на проявления фитотоксичности. Именно применяемые системы обработки почвы и удобрений, а также условия агроландшафтов определяют интенсивность и направленность биохимических процессов [104].

Изучение токсических свойств почвы позволяет контролировать влияние интенсификации растениеводства на состояние почвенного плодородия и своевременно решать экологические задачи [105].

Токсичность может повышаться вследствие различных причин. Основными из них можно считать: межорганизменные взаимодействия, неблагоприятные физико-химические условия среды, образование вредных продуктов жизнедеятельности, загрязнение в результате хозяйственной деятельности человека [106].

При выращивании культурных растений на токсичной почве они дают низкий урожай и отстают в росте, даже при наличии оптимальных условий для культуры.

1.3 Фитосанитарное состояние посевов при переходе к органическому земледелию

Сорный компонент агрофитоценозов существенно влияет на снижение урожайности культур, ухудшение их качества за счет конкуренции за факторы жизни [107].

В экологических системах земледелия, где недопустимо применение пестицидов, важным звеном является поддержание благополучной фитосанитарной обстановки за счет механических и биологических методов [108], то есть экологически обоснованная оптимизация фитосанитарного состояния посевов сельскохозяйственных культур [109].

Подавление сорняков, а также вредителей и возбудителей болезней должно осуществляться с минимально возможной нагрузкой для внешней среды [110].

Основными инструментами поддержания фитосанитарного потенциала посевов в органическом земледелии являются обработка почвы, севооборот, выращивание промежуточных культур, фитоценотическое подавление сорняков культурными растениями, создание оптимального фона питания культурных растений с помощью удобрений [111; 112].

Стратегии управления сорным компонентом значительно отличаются в интенсивных и экологических технологиях. В первом случае она основана на химическом подавлении нежелательной растительности, которое является весьма эффективным, но небезопасным с экологической точки зрения [113; 114]. Во втором случае – контроль засоренности осуществляется на основе механических приемов и биологических методов, которые не оказывают отрицательного влияния на качество продукции [115; 116; 117].

В органическом сельском хозяйстве система управления хозяйством адаптирована под природные и климатические условия определенной местности в соответствии с системой экологического менеджмента с целью сохранения природной гармонии и здоровья людей [118].

Бесспорно, конкуренция со стороны сорняков может снизить урожайность как в традиционных, так и в органических системах [119]. Но борьба с сорняками особенно трудна в органическом производстве без использования химических гербицидов [120].

Применение средств химизации без учета биологических особенностей растений, свойств почв, почвенно-климатических условий, свойств самих удобрений и средств защиты растений не дает должного эффекта, а иногда даже приводит к уменьшению урожая и ухудшению качества полученной продукции [121].

Таким образом, благоприятные свойства и режимы почв являются основным и необходимым условием реализации потенциального почвенного плодородия для получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур. Однако динамичность процессов, происходящих в почве под влиянием агротехнических приемов, а также их действие на плодородие требуют систематического изучения.

Поэтому для формирования стабильно высокого и качественного урожая необходимы экологически обоснованные, экономически целесообразные технологии возделывания культур [122].

1.4 Биопрепараты в органическом земледелии

В органическом земледелии разрешается использовать разнообразные биологические препараты как для контроля вредителей и возбудителей болезней, так и для воспроизводства плодородия почвы.

Кроме того, согласно закону об органическом земледелии, вступившем в силу 1 января 2020 года, для получения экологически безопасной продукции и кормов можно использовать только биологические средства защиты растений. Следовательно, предприятиям, планирующим работу в направлении органического земледелия, целесообразно рассмотреть применение биометода.

В отличие от химических препаратов биопрепараты признаны безвредными для человека, животных, пчел, птиц, рыб. Они быстро разлагаются в почве, воде, под действием солнечных лучей, не вызывают в отличие от химических препаратов эффект привыкания к ним насекомых [123].

Вследствие этого здоровая почва способна обеспечить получение биологически полноценных и экологически безопасных высоких урожаев сельскохозяйственных культур. Одним из способов улучшения состояния почвы является применение препаратов серии.

Первые препараты серии ЭМ были созданы более 30-ти лет тому назад японским ученым-микробиологом, профессором Хига Тера, и получили широкое признание во всем мире. Более 110 стран используют эту технологию для увеличения урожая и улучшения качества выращиваемой продукции. Эта область микробиологии, изучающая различные сообщества микроорганизмов и их взаимоотношения в процессе почвенного биоценоза и воздействия на желудочно-кишечный тракт животных и людей, начинает привлекать к себе внимание сельхозпроизводителей [124].

Из отечественных биопрепаратов пионером в 1998 году был Байкал ЭМ-1, автором которого является Петр Аюшеевич Шаблин. В состав препарата «Байкал ЭМ-1», по заявлению производителя, входит около 60 штаммов микроорганизмов, полученных из экосистемы байкальского региона. Вместе они составляют устойчивый симбиоз. Они поддерживают друг друга, поэтому длительно живут в почве. В концентрате микроорганизмы находятся в состоянии покоя, для их активации нужна питательная среда. Входящие в состав препарата фотосинтезируюшие, молочнокислые бактерии, дрожжи, актиномицеты, ферментирующие грибы вырабатывают разнообразные физиологически активные вещества –ферменты, аминокислоты, витамины, биофунгициды и другие, которые активизируют деятельность полезной микрофлоры в почве, кормах, удобрениях, ускоряют процессы гумусообразования, подавляют размножение возбудителей грибных и бактериальных болезней, создают благоприятные условия для повышения общего иммунитета, ускоряют разложение органических остатков в почве и компостах.

В связи с этим области использования биопрепаратов весьма обширны:

1. Устранение экологических последствий производственной и хозяйственной деятельности: переработка навоза КРС, свиного навоза, птичьего помета, осадков и жидких фракций очистных сооружений, снижение концентрации вредных газов и устранение неприятных запахов в помещениях животноводческих ферм.

2. Восстановление плодородия и оздоровление почв: производство компостов. При производстве ЭМ-компоста ферментируется навоз, на 1 т которого затрачивается 1 л препарата. По опытам установлено, что на гектар достаточно вносить не 70 т, а 7 т этого ЭМ-компоста, при этом уровень урожайности аналогичен.

3. Повышение урожайности возделываемых культур за счет подготовки почвогрунта для выращивания рассады сельскохозяйственных культур в теплицах, предпосевной обработки семян, обработки растений в период вегетации, защиты растений от заболеваний и вредителей.

4. Заготовка кормов – использование при силосовании и сенажировании.

5. Применение ЭМ-технологии в подсобных производствах, например, для санации помещений.

6. Увеличение продуктивности в животноводстве, кролиководстве, птицеводстве, рыбоводстве при добавлении в рацион: за счет улучшения микрофлоры желудочно-кишечного тракта животных и птиц, повышения усвояемости кормов, снижения падежа и укрепления иммунитета [125].

Все вышесказанное вызывает необходимость ведения мониторинга и научно-исследовательского сопровождения [98].

Поэтому актуальность и научный интерес представляет изучение биопрепаратов как элемента агротехнологий, используемого в органическом земледелии.

2 Совершенствование технологий производства органической продукции в кормовом севообороте

2.1 Условия и методика проведения исследований

Исследования проводились в полевом двухфакторном опыте, заложенном в 2017 году (приложение В). Почва опытного участка дерново-подзолистая среднесуглинистая с содержанием гумуса – 1,87%; рН – 5,1–5,6; Р₂О₅ – 278 мг/кг почвы; К₂О – 128 мг/кг почвы.

Схема опыта:

Фактор А. – культура севооборота

1. Однолетние травы с подсевом многолетних трав (люцерна изменчивая + тимофеевка луговая + овсяница луговая).

2. Многолетние травы 1 г.п.

3. Многолетние травы 2 г.п.

4. Многолетние травы 3 г.п.

5. Яровая тритикале на зеленую массу + поукосно рапс.

6. Ячмень на зерно.

7. Кукуруза на силос.

Фактор В – технологии возделывания культур:

1. Контроль (экстенсивная технология возделывания кормовых культур) (К, ЭК) – без удобрений и без пестицидов, основная обработка почвы отвальная, поверхностная обработка почвы под ячмень, рапс, однолетние травы. Люцерна изменчивая в смеси со злаками возделывается на фоне с внесением извести.

2. Интенсивная технология возделывания кормовых культур (ИТ) – основная обработка – отвальная, удобрения вносятся дифференцированно по культурам севооборота:

1. Однолетние травы – N₆₀P₆₀K₉₀;

2. Многолетние травы 1 г.п. – P₆₀K₉₀ (при содержании бобового компонента ниже 30% азот вносится в дозе N_60-90);

3. Многолетние травы 2 г.п. – P₆₀K₉₀ (при содержании бобового компонента ниже 30% азот вносится в дозе N_60-90);

4. Многолетние травы 3 г.п. – P₆₀K₉₀ (при содержании бобового компонента ниже 30% азот вносится в дозе N_60-90);

5. Озимая тритикале – N₆₀P₆₀K₉₀ (в том числе под предпосевную культивацию N₃₀, весной в подкормку N₃₀), рапс поукосно – N₆₀P₆₀K₉₀;

6. Ячмень – N₆₀P₆₀K₉₀;

7. Кукуруза – ячменная солома и 60 т/га навоза под зяблевую вспашку, весной N₁₀₀P₁₀₀K₁₂₀, внесение извести.

3. Высокоинтенсивная технология возделывания кормовых культур (ВТ) – основная обработка – отвальная, удобрения вносятся дифференцированно по культурам севооборота, и проводится защита растений от болезней, вредителей и сорняков:

1. Однолетние травы – N₉₀P₉₀K₁₃₅;

2. Многолетние травы 1 г.п. – P₉₀K₁₃₅ (при содержании бобового компонента ниже 30% азот вносится в дозе N_60-90);

3. Многолетние травы 2 г.п. – P₉₀K₁₃₅ (при содержании бобового компонента ниже 30% азот вносится в дозе N_60-90);

4. Многолетние травы 3 г.п. – P₉₀K₁₃₅ (при содержании бобового компонента ниже 30% азот вносится в дозе N_60-90), защита растений;

5. Яровая тритикале – N₆₀P₆₀K₁₂₀(в том числе под предпосевную культивацию N₃₀, весной в подкормку N₆₀), рапс поукосно – N₉₀P₉₀K₁₃₅;

6. Ячмень – N₉₀P₉₀K₁₃₅;

7. Кукуруза – ячменная солома и 60 т/га навоза под зяблевую вспашку, весной N₁₂₅P₁₂₅K₁₅₀, внесение извести, защита растений.

4. Органическая технология возделывания кормовых культур (О) – основная обработка – поверхностно-отвальная, без минеральных удобрений и пестицидов. В качестве органических удобрений используются сидерат (рапс), ячменная солома, последний укос многолетних трав, навоз:

1. Однолетние травы;

2. Многолетние травы 1 г.п.;

3. Многолетние травы 2 г.п.;

4. Многолетние травы 3 г.п., 2-ой укос трав – на зеленое удобрение;

5. Яровая тритикале – на зеленую массу, рапс поукосно – на сидерат;

6. Ячмень, основная обработка почвы поверхностная;

7. Кукуруза – ячменная солома и 60 т/га навоза под зяблевую вспашку, внесение извести.

5. Биологизированная технология возделывания кормовых культур (Б) – основная обработка – поверхностно-отвальная, основана на биологических факторах с ограниченным применением минеральных удобрений и средств защиты. Основная роль принадлежит культурам семейства бобовых, сидератам и органическим удобрениям:

1. Однолетние травы – N₃₀P₃₀K₄₅, инокуляция семян бактериальными препаратами;

2. Многолетние травы 1 г.п. – P₃₀K₄₅ (при содержании бобового компонента ниже 30% азот вносится в дозе N_30-45);

3. Многолетние травы 2 г.п. – P₃₀K₄₅ (при содержании бобового компонента ниже 30% азот вносится в дозе N_30-45);

4. Многолетние травы 3 г.п. – P₃₀K₄₅ (при содержании бобового компонента ниже 30% азот вносится в дозе N_30-45);

5. Яровая тритикале – N₃₀P₃₀K₄₅ (весной в подкормку N₃₀), рапс поукосно – N₃₀P₃₀K₄₅;

6. Ячмень – N₃₀P₃₀K₄₅, основная обработка почвы поверхностная;

7. Кукуруза – ячменная солома и 60 т/га навоза под зяблевую вспашку, весной N₅₀P₅₀K₆₀, внесение извести.

Метеорологические условия в годы исследований

Температура в 2020 году за время проведения исследования в апреле и мае была значительно ниже среднегодовых показателей (таблица 1). В июне и июле показатели были чуть выше. В целом температура была оптимальной для культур.

Таблица 1 – Метеорологические условия в период проведения исследований в 2020 году

Сумма атмосферных осадков в 2020 году в начале вегетации была выше среднегодовых показателей. Наибольшая сумма осадков наблюдается в июле.

Методика полевых и лабораторных исследований

Исследования проводились согласно методическим указаниям по проведению полевых опытов с кормовыми культурами. Агрохимический анализ почвенных образцов проводился на базе центра коллективного пользования «Агротехнологии» ФГБОУ ВО Ярославская ГСХА (зарегистрирован в сети центров коллективного пользования научным оборудованием (ЦКП) и уникальных стендах и установках (УНУ) в Российской Федерации).

1. Определение содержания гумуса проводилось по методу И. В. Тюрина в модификации В. Н. Симакова. Почвенные образцы для определения содержания гумуса отбирались сразу после уборки полевых культур из двух слоев пахотного горизонта 0–10 и 10–20 см. Метод основан на окислении углерода гумусовых веществ до СО₂ 0,4 н. раствором двухромовокислого калия (К₂Сr₂О₇), приготовленного на серной кислоте, разведенной в воде в объемном отношении 1:1. По количеству хромовой смеси, пошедшей на окисление органического углерода, судят о его количестве.

2. Содержание подвижных форм фосфора и обменного калия в почвенных образцах определяли по методу Кирсанова. Метод Кирсанова основан на извлечении подвижных соединений фосфора (P₂О₅) и калия (К₂О) из почвы раствором соляной кислоты (экстрагирующим раствором) молярной концентрацией 0,2 моль/дми последующем количественном определении подвижных соединений фосфора (P₂О₅) и на фотоэлектроколориметре и калия (К₂О) – на пламенном фотометре (при светофильтре, пропускающем аналитические линии калия в области 766,5 и 769,8 нм).

Содержание фосфора в анализируемой пробе находят по градуировочному графику непосредственно в мг/кг почвы или по формуле:

, (1)

где С – концентрация Р₂0₅, мг/100 г, найденная по градуировочному графику;

V и V₁ – общий объем фильтрата и объем аликвоты, взятой для колориметрирования, мл;

1000 – коэффициент пересчета на 1 кг почвы;

m – навеска почвы, г;

K_w – коэффициент пересчета на сухую почву.

Содержание калия в анализируемой пробе находят по графику или рассчитывают по формуле:

, (2)

где С – концентрация К₂О, найденная по графику, мг/1000 мл;

V – объем вытяжки, мл;

m – масса навески почвы, г;

K_w – коэффициент пересчета на сухую почву.

3. Определение обменной кислотности почвы проводилось по методу А. В. Соколова. Метод предусматривает определение обменных форм водорода и алюминия при вытеснении их из почвы 1,0 н. раствором КС1. Сущность метода заключается в том, что после вытеснения раствором КС1 ионов Н⁺ и А1³⁺ образуется соляная кислота, которая оттитровывается щелочью. По количеству щелочи, пошедшей на титрование кислоты, рассчитывается обменная кислотность.

4. Определение плотности почвы осуществлялось методом режущего кольца (ГОСТ 5180-84). Отбор проб проводился с помощью колец-пробоотборников ПГ-100 (высота 43,4 мм; диаметр 54,2 мм; угол заточки 30^о; внутренний объем 100 см³) с двух глубин 0–10 и 10–20 см. На каждой делянке рендомизированно отбирали пробы почвы в 4-х местах. Цилиндры с почвой перевозились в лабораторию и взвешивались. Из цилиндров сразу после взвешивая отбирались навески почвы для определения влажности. Почва сушилась в термостате до постоянной массы при температуре 105^оС, для пересчета массы почвы в цилиндре на абсолютно сухую. Дальнейшие расчеты проводились по принятой методике.

5. Определение сопротивления пенетрации (твердости) почвы проводилось стрелочным пенетрометром 06.01.SA Eijkelkamp, по диагонали делянки в 6 точках, с глубин 5, 10, 15, 20, 25, 30 см.

6. Структурно-агрегатный состав почвы определяли методом Н. И. Саввинова при помощи просеивания (сухое) воздушно-сухого образца через комплект сит разного диаметра. Навеску для сухого просеивания (500 г) отбирали крестообразным способом. Образцы почвы отбирались по общепринятой методике в 4-х произвольно выбранных точках на каждой делянке с глубины 0–10 и 10–20 см, из которых составляли объединенную пробу массой около 2 кг для каждого слоя.

Исследования и расчеты проводились по методам Н. И. Саввинова и И. М. Бакшеева.

7. Учет численности дождевых червей проводился методом отмучивания. При этом отбирали по 2 пробы с одной делянки. Для взятия проб использовали рамку размером 0,2 м х 0,2 м, глубина отбора составляла 20 см. В каждой пробе подсчитывали количество дождевых червей и пересчитывали их число на 1 м². Учет проводился 1 раз в месяц.

8. Изучение динамики численности хищных жужелиц проводился с помощью ловушки Барбера. Ловушкой Барбера служит стеклянная банка с завинчивающейся крышкой высотой 12 см и диаметром верхней части 5,8 см. Ее закладывают в почву, так чтобы верхний край выступал над поверхностью почвы на 1–2 см. Затем вокруг банки насыпают земляной валик. Для защиты от атмосферных осадков над банкой на высоте 3–4 см размешают стеклянную пластинку на подставке. Подсчет насекомых проводился с интервалом 10 дней.

9. Определение биологической активности почвы проводился методом аппликации. В пахотный горизонт закладывали стекла размером 0,2 х 0,1 м, обшитые льняным полотном. Активность целлюлозоразлагающих микроорганизмов учитывали в течение вегетации полевых культур с экспозицией 45 дней по слоям 0–10 см и 10–20 см. Учет проводили по потере массы льняного полотна.

10. Анализ токсичности почвы проводился по методу почвенных пластинок. В качестве тест-объекта использовали семена озимой ржи. В чашку Петри помещали 60 г почвы, увлажняли ее и высевали 25 штук семян. Всхожесть семян, длину проростков и корней растений учитывали на восьмой день при ежедневном увлажнении почвы. Контролем служили растения, развивающиеся на смоченной водой фильтровальной бумаге или вате.

11. Количество вредителей определяли визуальным методом на площадках 0,25 м². Это наиболее простой способ, с помощью которого можно легко найти и подсчитать многочисленных вредителей на листьях, побегах, почках, цветках, соцветиях, плодах, стерне и т. д. Ловля сачком пригодна для контроля за появлением и учета клопов, цикадок, тлей, трипсов, жуков, перепончатокрылых и двукрылых в посевах зерновых, рапса и кормовых культур. Диаметр сачка обычно 30 см с льняным или капроновым мешком длиной 60 см. Отлов проводят в травостое путем смахивания насекомых с растений в сачок при непрерывном перемещении его в обе стороны и вперед (кошение). Для того чтобы определить заселенность площади 1 м² насекомыми, нужно сделать 10 взмахов сачком. Пойманных насекомых энергично стряхивают на дно мешка, умертвляют в парах уксусного эфира и потом подсчитывают.

12. Динамику изменения численности, состава сорных растений проводили по методике Б. А. Смирнова, В. И. Смирновой с помощью рамки 1 м²; для учета многолетних сорных растений использовались рамки 1 м² (1м х 1м) и 1/16 м² – для учета малолетних. Учеты численности сорных растений проводились отдельно по каждому виду в 2 срока. Сухую массу сорных растений определяли одновременно с учетом численности сорных растений на этих же пробных площадках путем высушивания до постоянной массы в термостате при температуре 105С и взвешивали с точностью до 0,1 г.

13. Математическая обработка экспериментальных данных. Для обобщения и статистической обработки экспериментальных данных использовали программы «Disant», «Statistica», «Microsoft Office».

14. Учет урожая – сплошной поделяночный с одновременным взвешиванием всей продукции. Уборка однолетних трав производилась в фазу образования нижних бобов у бобового компонента, кукурузы – в фазу молочно-восковой спелости. Уборка травосмеси многолетних трав при первом укосе производилась по преобладающей культуре в фазу: по злаковым – в начале колошения, по бобовым – в начале бутонизации, при втором укосе уборку производили при достижении травостоем укосной спелости (высота 50–60 см). Химический состав и качество культур определялся в химико-аналитической лаборатории Ярославского НИИЖК – филиала ФНЦ «ВИК им. В. Р. Вильямса».

15. Определение экономической эффективности (рассчитывается по фактическим затратам).

Определяются следующие показатели:

выход продукции на единицу площади земли (ц/га);

производственные затраты на 1 га, руб.;

затраты труда на 1 га и на 1 ц, чел./ч;

себестоимость 1 ц, руб.;

чистый доход на 1 га (100 га), руб.;

уровень рентабельности производства, %.

Внесение удобрений, обработка почвы, посев культур проводились согласно технологиям возделывания. В опыте использовались сорта: овес в вико-овсяной смеси – Атлет, вика яровая – Мега, яровая тритикале – Доброе, ячмень – Памяти Чепелева, рапс – Подмосковный, люцерна изменчивая – Таисия, овсяница луговая – Славянка, тимофеевка луговая – ВИК-911, кукуруза – Воронежский 160 СВ.

Внесение удобрений и обработки почв проводились согласно приведенным описаниям в технологиях возделывания. Форма внесения минеральных удобрений: азотные – аммиачная селитра (34,5%), сложные удобрения – диамофоска (NPK – 10:26:26%), калийные – калий хлористый (60%) (согласно схемы опыта).

2.2 Результаты исследований

2.2.1 Агрохимические показатели плодородия почвы

Гумусное состояние почв определяется двумя противоположно направленными процессами – гумификацией и минерализацией остатков биоценоза. Почвы опытного участка на момент его закладки отличались низким содержанием гумуса (1,87%). За 4-летний период ротации севооборота его количество понизилось до 1,67%, что является закономерным процессом, так как в первые годы после распашки целинных почв в них интенсифицируются процессы минерализации органического вещества и уменьшается его содержание. Через 12–13 лет после распашки целины пашня под сельскохозяйственными культурами без внесения удобрений и травосеяния теряет от 25 до 36% исходного содержания гумуса. На старопахотных землях этот процесс замедляется, и содержание гумуса при неизменной агротехнике вновь стабилизируется, но уже на более низком уровне.

Содержание органического вещества во многом определялось выращиваемой культурой и системой обработки почвы, предусмотренной агротехнологией (таблица 2). При сравнении культур по экстенсивной технологии возделывания можно отметить, что замедлению процессов минерализации в пахотном горизонте способствовало выращивание многолетних трав при трехлетнем периоде их использования. Увеличение механического воздействия на почву приводило к небольшому снижению содержания гумуса в почве и достигало минимальных значений под посевом кукурузы.

Следует отметить достаточно низкое количество органического вещества в пахотном слое под посевом многолетних трав второго года пользования. Все вышеописанные различия по содержанию гумуса между выращиваемыми культурами носили не достоверный характер и являлись тенденциями.

Таблица 2 – Содержание гумуса в почве, %

Примечание – В этой и следующих таблицах:

* – различия существенны по фактору «Культура севооборота»,

** – различия существенны по фактору «Технология возделывания».

При анализе изучаемых технологий возделывания можно отметить достаточно высокую способность к поддержанию почвенного плодородия интенсивной технологии по всем выращиваемым культурам. Однако можно отметить отзывчивость каждой культуры на отдельные технологии возделывания. Так, под посевом однолетних трав с подсевом многолетних трав были получены существенные различия с контролем при биологизированной технологии в обоих слоях пахотного горизонта. В почвенных образцах, отобранных с участка с многолетними травами 1 года пользования, большее количество гумуса было обнаружено под посевами, выращиваемыми по высокоинтенсивной технологии.

Анализ данных в среднем по изучаемым факторам не выявил существенных различий между выращиваемыми культурами севооборота по содержанию гумуса. Можно отметить усиление минерализации органического вещества при выращивании пропашной культуры – кукурузы, что связано, прежде всего, с интенсивными механическими обработками почвы и усилением аэрации почвы. Накопление гумуса было отмечено при возделывании однолетних и многолетних трав, обладающих способностью к иммобилизации азота и формированию дернины (таблица 3).

Таблица 3 – Содержание гумуса в почве в среднем по изучаемым факторам, %

По содержанию гумуса между изучаемыми технологиями возделывания культур достоверных различий так же обнаружено не было. Сдерживанию процессов минерализации в большей степени способствовало ведение биологизированной и интенсивной технологий, на фоне высокоинтенсивной и органической содержание гумуса было на одном уровне.

Под посевами всех выращиваемых культур и при всех изучаемых технологиях возделывания по содержанию гумуса формировался гетерогенный пахотный горизонт, с большим содержанием гумуса в верхнем слое 0–10 см.

Таким образом, направленность процессов минерализации и гумификации во многом определяется культурой и технологией возделывания. Минерализация органического вещества усиливается при увеличении глубины и кратности проводимых при выращивании культуры обработок почвы. Для подержания почвенного плодородия необходимо поступление в почву питательных веществ, как в форме органического вещества, так и в форме минеральных удобрений.

Фосфорное питание стимулирует развитие корневой системы, что улучшает снабжение растений питательными веществами и влагой, способствует наливу зерна и усиливает энергию прорастания семян.

Почвы опытного участка отличаются очень высоким содержанием подвижного фосфора, и за 4 года исследований оно увеличилось с 278 мг/кг до 300,28 мг/га (таблица 4).

При сравнении показателей содержания подвижного фосфора под выращиваемыми культурами по экстенсивной технологии возделывания можно отметить наибольшее его накопление в пахотном слое под посевом однолетних трав. Достаточно интенсивно он использовался растениями ячменя, кукурузы и многолетними травами 3-го года пользования.

Таблица 4 – Содержание подвижного фосфора в почве, мг/кг почвы

На накопление подвижного фосфора в почве оказывали влияние изучаемые технологии возделывания. При выращивании практически всех культур были получены достоверные различия с контролем при ведении высокоинтенсивной технологии, предусматривающей внесение достаточно высоких норм минеральных удобрений. Высоким накоплением Р₂О₅ отличались варианты с биологизированной и интенсивной технологиями возделывания, также предполагающими дополнительное внесение питательных элементов в форме минеральных веществ. На фоне экстенсивной и органической технологий снижения содержания подвижного фосфора не наблюдалось.

При анализе данных в среднем по изучаемым факторам существенных различий между культурами по содержанию подвижного фосфора обнаружено не было, но можно отметить следующие тенденции (таблица 5).

Таблица 5 – Содержание подвижного фосфора в почве в среднем по изучаемым факторам, мг/кг почвы

Накопление Р₂О₅ в почве в год проведения исследований наиболее интенсивно происходило под посевами однолетних трав и многолетних трав 1 года пользования. Под посевами ячменя, кукурузы и многолетних трав 2 и 3 года пользования содержание подвижного фосфора оставалось на достаточно высоком уровне.

Накоплению подвижного фосфора в почве способствовало использование в технологиях возделывания минеральных форм удобрений. По технологиям «Интенсивная», «Высокоинтенсивная» и «Биологизированная» по сравнению с контролем были получены существенные различия по содержанию Р₂О₅.

Также как и по содержанию органического вещества, по содержанию фосфора под посевами выращиваемых культур сформировался гетерогенный пахотный слой, с большим количеством элемента в верхнем слое 0–10 см.

Калий улучшает ход обмена веществ и повышает жизнеспособность растений. Калий, содержащийся в почве, является основным источником питания растений. Почвы опытного участка в год проведения исследований относились к 3 группе по обеспеченности обменным калием (101,03 мг/кг почвы), что является отрицательной динамикой по сравнению с началом проведения опыта (128 мг/кг почвы). Строение пахотного горизонта по содержанию К₂О на всех вариантах опыта гетерогенное.

По результатам наших исследований наиболее интенсивно содержание К₂О снижалось под посевами ячменя и кукурузы при сравнении данных с экстенсивной технологией возделывания (таблица 6).

Поддержанию благоприятных условий для роста полевых культур способствовало ведение интенсивной и высокоинтенсивной технологий, предусматривающих внесение калия в доступной форме в составе минеральных удобрений. Под посевами всех изучаемых культур по данным технологиям отмечалось увеличение содержания обменного калия в почве в сравнении с контролем, по однолетним травам и кукурузе оно было достоверным. Органическая и биологизированная технологии поддерживали содержание К₂О на уровне или чуть выше показателей контрольного варианта.

При рассмотрении влияния изучаемых факторов на содержание обменного калия можно отметить, что между культурами севооборота не было достоверных различий по данному показателю (таблица 7). Наиболее благоприятные условия для роста и развития культур складывались под посевами однолетних трав, многолетних трав 1 и 3 годов пользования.

Таблица 6 – Содержание обменного калия в почве, мг/кг почвы

Выделение роли технологии возделывания в динамике содержания обменного калия подтвердило закономерности, проявившиеся при анализе совместного действия факторов. Поддержанию на благоприятном для растений уровне количества К₂О в почве способствовало ведение интенсивной и высокоинтенсивной технологий, предусматривающих внесение минеральных удобрений. На фоне органической и биологизированной технологий содержание обменного калия сохранялось на уровне контроля.

Таблица 7 – Содержание обменного калия в почве в среднем по изучаемым факторам, мг/кг почвы

Кислотность почв обусловлена ходом почвообразовательного процесса, в котором важную роль играют почвообразующие породы, переувлажненность почвы, микроорганизмы, растения, а также использованием физиологически и биологически кислых минеральных удобрений. Избыточная кислотность почвы нарушает нормальный ход ферментативных процессов, углеводный и белковый обмен в растениях и микроорганизмах, затрудняет образование белка при увеличении содержания небелкового азота.

Различают кислотность твердой фазы почвы и кислотность почвенного раствора. Кислотность твердой фазы складывается из обменной и гидролитической. Обменная кислотность обнаруживается в результате обработки почвы раствором нейтральной соли (КСl).

По результатам наших исследований, проведенных в конце вегетации полевых культур, почвы опытного участка обладают близкой к нейтральной реакцией среды. По сравнению с годом начала исследований обменная кислотность почвы опытного участка повысилась с 5,35 до 5,93 (таблица 8).

Таблица 8 – Кислотность почвы, рН_КСl

Наиболее высокие значения кислотности почвы были получены под посевом однолетних трав, здесь отмечалась нейтральная реакция среды, так же как под посевами ячменя и кукурузы. Незначительному подкислению способствовало выращивание многолетних трав, при сравнении показателей, полученных по изучаемым вариантам на фоне экстенсивной технологии выращивания. Следует отметить, что между культурами (делянки 1 порядка) достоверных различий не обнаружено.

Практически при проведении всех технологий возделывания культур наблюдалась тенденция подкисления почвы в сравнении с экстенсивной технологией (контроль). Наиболее интенсивно этот процесс протекал при использовании минеральных удобрений. Под посевами ячменя и многолетних трав 1 и 3 года пользования снижение показателя было существенным на фоне высокоинтенсивной технологии. Достоверное снижение кислотности почвы наблюдалось так же под посевом многолетних трав 1 года пользования на фоне органической технологии и многолетних трав 3 года пользования при биологизированной технологии возделывания.

Расчет роли изучаемых факторов в изменении кислотности почвы не позволил выявить четких закономерностей, по всем изучаемым вариантам не было обнаружено достоверных различий (таблица 9). Наиболее благоприятные условия для роста растений были обнаружены под посевами однолетних трав, кукурузы и многолетних трав 2 года пользования. Достаточно сильно оказались подкислены почвы под ячменем.

Из изучаемых технологий возделывания наиболее интенсивному подкислению почвы способствовало ведение высокоинтенсивной и биологизированной технологий в сравнении с экстенсивной.

Следует отметить, что показатели кислотности почвы были выше в верхнем слое пахотного горизонта (0–10 см). Исключение составил вариант с высокоинтенсивной технологией, на котором наблюдалось также достоверное снижение кислотности в сравнении с контролем.

Таблица 9 – Кислотность почвы в среднем по изучаемым факторам, рН_КСl

Таким образом, на почвах, обеспеченных элементами минерального питания, возможно ведение органической технологии возделывания полевых культур. На ее фоне не наблюдается интенсивной минерализации гумуса и подкисления почвы. По сравнению с экстенсивной технологией поддерживается благоприятный для растений питательный режим.

2.2.2 Агрофизические показатели плодородия почвы

Структура почвы

Для отражения агрофизического состояния почвы наиболее значимым является такой показатель, как коэффициент структурности. Проведенный корреляционно-регрессионный анализ установил наличие средней положительной связи между коэффициентом структурности и содержанием в почве гумуса (рисунок 1).

Принято считать, что, если коэффициент структурности <0,67, агрегатное состояние неудовлетворительное, 0,67–1,5 – хорошее и >1,5 – отличное.

Рисунок 1 – Связь между содержанием в почве гумуса и коэффициентом структурности

Данные по изменению этого показателя представлены в таблице 10.

Представленные в таблице 10 результаты свидетельствуют о хорошем и отличном структурном состоянии почвы. При этом наиболее высокие значения коэффициента структурности почвы пахотного слоя (0–20 см) наблюдались при возделывании многолетних трав 2 и 3 годов пользования по органической технологии – 3,21 и 3,27 соответственно (таблица 10, рисунок 2).

Выращивание яровой тритикале на зеленую массу сопровождалось снижением оструктуренности почвы в среднем по изучаемым технологиям. Причем наименьшие результаты были получены на высокоинтенсивном фоне – 1,43.

Таблица 10 – Коэффициент структурности почвы

Использование высокоинтенсивной технологии возделывания по всем изучаемым культурам вело к снижению коэффициента структурности почвы. Особенно это было заметно в посевах многолетних трав 3 года пользования, где данная технология способствовала достоверному снижению изучаемого показателя на 0,51.

Рисунок 2 – Варьирование коэффициента структурности в зависимости от возделываемой культуры

Применение органической технологии вело к достоверному увеличению коэффициента структурности по всем культурам севооборота, за исключением кукурузы.

Результаты, полученные на органической и биологизированной технологиях, свидетельствуют об увеличении коэффициента структурности пахотного слоя почвы относительно средних показателей по опыту (рисунок 3).

Применение высокоинтенсивной технологии способствовало снижению коэффициента структурности почвы как относительно опыта, так и относительно других изучаемых технологий.

Рисунок 3 – Варьирование коэффициента структурности в зависимости от технологии возделывания

Распределение фракций структурных агрегатов >10 мм, 0,25–10 мм и <0,25 мм в зависимости от возделываемой культуры представлено на рисунке 4. Полученные данные свидетельствуют о том, что наибольшая доля агрономически ценной фракции была получена в посевах многолетних трав 2 и 3 годов пользования – 70,77–71,46%. При этом доля пылеватой и глыбистой фракций была наименьшей, что объяснятся отсутствием механической обработки на данных культурах.

Рисунок 4 – Распределение фракций структурных агрегатов в зависимости от возделываемой культуры

Возделывание яровой тритикале на зеленый корм обусловливало формирование наименьших значений по фракции 0,25–10 мм (63,79%) и наибольших – по фракции <0,25 мм (11,02%).

Выращивание однолетних трав обусловливало формирование наибольших значений по глыбистой фракции – 25,24%.

Распределение фракций структурных агрегатов в зависимости от технологии возделывания представлено на рисунке 5.

Применение высокоинтенсивной технологии возделывания способствовало снижению доли агрономически ценных агрегатов на 2,21 п.п. и повышению доли глыбистой фракции – на 2,50 п.п.

Рисунок 5 – Распределение фракций структурных агрегатов в зависимости от технологии возделывания

Органическая технология обеспечила набольший выход агрономически ценной фракции – 71,25% и наименьший глыбистой – 21,01% и пылеватой – 7,74% фракций.

Таким образом, возделывание многолетних трав 2 и 3 годов пользования и органическая технология характеризовались наилучшими структурными показателями.

Плотность почвы

Плотность сложения почвы является важным агрофизическим показателем, определяющим условия роста и развития культурных растений. В течение вегетации плотность почвы изменялась в зависимости от выращиваемой культуры и ее технологии возделывания (таблица 11). При этом для верхнего слоя диапазон варьирования составил 0,93–1,49 г/см³, а для нижнего – 0,97–1,40 г/см³.

Наибольшие значения плотности почвы (слой 0–10 см) были получены при возделывании многолетних трав 1 и 2 годов пользования на контрольном варианте – 1,45 и 1,49 г/см³ соответственно. Данные значения выходили за пределы оптимальных для роста и развития культуры. По остальным культурам можно констатировать наличие оптимальных значений изучаемого показателя.

Таблица 11 – Плотность почвы

Средние значения плотности сложения почвы по изучаемым культурам свидетельствуют о снижении показателей относительно при возделывании ячменя и кукурузы (рисунок 6). При этом наименьшие значения объемной массы были зафиксированы при возделывании кукурузы на интенсивном фоне (0,97 г/см³) в нижнем слое почвы, а ячменя на интенсивном фоне – 0,93 г/см³ в верхнем слое почвы.

Рисунок 6 – Варьирование значений плотности почвы в зависимости от возделываемой культуры

Возделывание однолетних трав и тритикале на зеленый корм обусловливало наименьшее варьирование изучаемого показателя по технологиям возделывания.

Применение биологизированной технологии на многолетних травах 1 года пользования вело к достоверному снижению плотности нижнего слоя на 0,3 г/см³. Аналогичные результаты были получены и при применении данной технологии на многолетних травах 2 года пользования.

Использование интенсивной технологии под ячмень сопровождалось снижением плотности почвы в слое 0–10 см на 0,31 г/см³.

В среднем по культурам кормового севооборота использование интенсивной, высокоинтенсивной, органической и биологизированной технологий обусловливало снижение значений плотности почвы по сравнению к контрольным вариантам (рисунок 7). При этом органическая технология характеризовалась наименьшим варьированием значений (1,19–1,26 г/см³) в зависимости от выращиваемой культуры, которые не выходили за пределы оптимальных.

Рисунок 7 – Варьирование значений плотности почвы в зависимости от технологии возделывания

Таким образом, возделывание изучаемых культур полевого севооборота по органической технологии свидетельствует о формировании оптимальных условий плотности сложения почвы.

Сопротивление пенетрации почвы

В отличие от плотности почвы показатель «сопротивление пенетрации» является более предпочтительной характеристикой при оценке почвы как среды для функционирования корней или как объекта механической обработки.

Проведенные исследования по влиянию изучаемых технологий на сопротивление пенетрации почвы на различных культурах севооборота представлены в таблице 12.

Возделывание однолетних трав, тритикале, ячменя и кукурузы свидетельствуют о формировании более низких значений изучаемого показателя по сравнению с многолетними травами как в среднем в слое 0–35 см (рисунок 8), так и на каждой глубине в отдельности (таблица 12).

Рисунок 8 – Варьирование сопротивления пенетрации почвы в зависимости от возделываемой культуры в среднем по слою 0–35 см

Таблица 12 – Сопротивление пенетрации почвы в зависимости от культуры и технологии возделывания

Продолжение таблицы 12

Рисунок 9 – Сопротивление пенетрации почвы в зависимости от возделываемой культуры

Наибольшие значения сопротивления пенетрации наблюдались на многолетних травах 3 года пользования по всем изучаемым слоям почвы (рисунок 9). Это объясняется отсутствием механической обработки почвы.

Несмотря на более интенсивную обработку почвы, возделывание кукурузы обусловливало некоторое увеличение значений твердости почвы на глубине 10 см на 35 кПа, 15 см – на 5 кПа, 20 см – на 14 кПа, 25 см – на 15 кПа, 30 см – на 22 кПа и 35 см – на 22 кПа.

Выращивание однолетних трав, яровой тритикале и ячменя способствовало формированию одинаковых значений изучаемого показателя по всей изучаемой глубине (0–35 см).

В среднем для слоя 0–35 см применение интенсивной и органической технологии возделывания сельскохозяйственных культур обусловливало формирование значений на уровне контрольного варианта и ниже общих средних показателей (рисунок 10).

Рисунок 10 – Варьирование сопротивления пенетрации почвы в зависимости от технологии возделывания в среднем по слою 0–35 см

Варьирование твердости почвы в слое 0–35 см на делянках с интенсивной технологией было в пределах 241 кПа (однолетние травы), 335кПа (многолетние травы 3 г.п.), а на делянках с органической технологией – 243 кПа (тритикале), 324 кПа (многолетние травы 3 г.п.) (таблица 12).

Если же рассмотреть каждый слой в отдельности, то можно отметить, что на глубине 5 см все изучаемые технологии вели к некоторому увеличению твердости почвы на 1–16 кПа (рисунок 11).

Рисунок 11 – Сопротивление пенетрации почвы в зависимости от возделываемой культуры по изучаемым слоям

Использование высокоинтенсивной технологии способствовало увеличению сопротивления пенетрации почвы на глубине 10 см на 37 кПа, 20 см – на 20 кПа, 25 см – на 13 кПа, 30 см – на 53 кПа и 35 см – на 43 к Па.

Можно также отметить снижение сопротивления проникновения плунжера пенетрометра в почвы при применении интенсивной и органической технологии возделывания на глубине 15 и 25 на 23–26 кПа.

Таким образом, возделывание многолетних трав способствовало формированию наибольших значений сопротивления пенетрации почвы. Применение интенсивной и органической технологий возделывания сельскохозяйственных культур обусловливало формирование значений на уровне контрольного варианта и ниже общих средних показателей.

2.2.3 Биологические показатели плодородия почвы

Численность дождевых червей

Численность дождевых червей в почве существенно изменялось в зависимости, как от выращиваемых культур, так и от технологий их возделывания (таблица 13). Так, в слое 0–20 см возделывание яровой тритикале по экстенсивной (контрольной) технологии способствовало достоверному увеличению численности червей, такая же закономерность наблюдалась и при выращивании многолетних трав 3 года пользования как по контрольной технологии, так и по органической (на которой отмечалось максимальное распространение червей – 78,8 шт./м²) по сравнению с одноименными вариантами технологий однолетних трав. Эти значительные изменения были обусловлены верхним слоем 0–10 см. Также стоит отметить, что в посеве озимой тритикале при высокоинтенсивной технологии ее выращивания в слое 0–10 см произошло значительное увеличение численности червей по сравнению с однолетними травами на этой же технологии.

Существенные различия имели место и при сравнении технологий возделывания. Так, при выращивании кукурузы по органической технологии отмечалось достоверное увеличение количества червей по сравнению с контрольной технологией как в слое 0–10 см, так и за счет него в слое 0–20 см. В посеве тритикале наблюдалась обратная закономерность – при использовании органической технологии показатель существенно снизился в сравнении с контролем, что было характерно только для слоя 0–10 см.

Таблица 13 – Численность дождевых червей в среднем за вегетационный период, шт./м²

В целом численность дождевых червей в слое 0–10 см была несколько выше, чем в слое 10–20 см, различия в среднем составили 1,6%.

В среднем по изучаемым факторам, при сравнении с однолетними травами, возделывание озимой тритикале, многолетних трав первого и третьего лет пользования привело к достоверному увеличение количества червей в верхнем слое 0–10 см, при этом несущественному (на 2,2 и 3,8% соответственно) увеличению показателя способствовало выращивание кукурузы и многолетних трав второго года пользования (таблица 14). Выращивание ячменя, напротив, привело к незначительному снижению показателя (на 3,1%). Положительное влияние яровой тритикале и многолетних трав на численность дождевых червей можно объяснить невысоким механическим воздействием на почву в период их вегетации, который, в свою очередь, существенно превышает длину вегетации однолетних культур (однолетних трав, ячменя и кукурузы) и благоприятствует накоплению большего количества корневых и пожнивных остатков, являющихся источником органического вещества для червей.

Таблица 14 – Численность дождевых червей в среднем за вегетационный период, шт./м²

Изучаемые технологии возделывания существенно не отличались по влиянию на численность дождевых червей, наблюдалась тенденция увеличения показателя при использовании интенсивных технологий в среднем на 3,6%, а органической – на 4,4%, в сравнении с контролем. Это можно объяснить большим количеством органического вещества, поступающего в почву, в случае с интенсивными технологиями – за счет пожнивно-корневых остатков выращиваемых культур, в случае с органической – за счет органических удобрений и накоплением этого вещества благодаря сдерживанию минерализации гумуса при поверхностно-отвальной системе основной обработки почвы.

Таким образом, для создания благоприятных условий для распространения дождевых червей лучше подходят культуры – яровая тритикале и многолетние травы, при возделывании их по технологиям, обеспечивающим большее поступление органического вещества в почву.

Численность хищных жужелиц

Если рассмотреть динамику изменения численности хищных жужелиц по всем учетам за вегетацию сельскохозяйственных культур, то можно отметить, что в посеве однолетних трав за 3 учета показатель снижался на всех технологиях выращивания, причем в больших темпах на интенсивной (таблица 15).

В посевах ячменя и кукурузы за 6 учетов динамика характеризовалась нарастанием количества жужелиц к середине вегетации и снижением к ее концу практически на всех вариантах технологий, за исключением высокоинтенсивной – на ней показатель сохранял свои значения на протяжении всего вегетационного периода.

В посевах многолетних трав тенденции изменения численности жужелиц соотносились с укосами – после укосов показатель снижался и затем возрастал с увеличением надземной массы трав при их отрастании, что было характерно для всех технологий, за исключением органической технологии возделывания многолетних трав третьего года пользования, на которой наблюдалось постепенное увеличение показателя.

Таблица 15 – Численность хищных жужелиц за вегетацию культур севооборота, шт./10 ловушко-суток

Если сравнить изучаемые факторы по срокам учетов, то существенные различия в основном были характерны для первых двух учетов. Так, при первом учете жужелиц достоверному снижению их численности способствовало выращивание многолетних трав 1 г.п. по высокоинтенсивной технологии и многолетних трав 2 г.п. – по контрольной, высокоинтенсивной и органической технологиям, по сравнению с однолетними травами; использование высокоинтенсивной технологии выращивания многолетних трав 1 г.п. привело к существенному снижению численности жужелиц по сравнению с контрольной технологией.

При втором сроке учета значительное снижение показателя наблюдалось на кукурузе при высокоинтенсивной технологии ее выращивания и многолетних травах всех лет пользования на контрольной и высокоинтенсивной технологиях по сравнению с одноименными технологиями возделываниями однолетних трав; органическая технология возделывания многолетних трав 1 г.п. способствовала существенному увеличению численности жужелиц по сравнению с контрольной в посеве этой культуры.

В среднем по изучаемым факторам динамика изменения численности хищных жужелиц по культурам севооборота была следующей: в посеве однолетних трав она снижалась с течением вегетации; в посевах ячменя и кукурузы возрастала к середине вегетации и снижалась к ее концу; в посеве многолетних трав 1 г.п. наблюдалось волнообразное нарастание до укосов зеленой массы и снижение после них; в посеве многолетних трав 2 г.п. показатель возрастал к концу вегетации, а в посеве многолетних трав 3 г.п. численность жужелиц снижалась к середине вегетационного периода и возрастала к его концу (таблица 16).

При сравнении различных культур можно отметить, что выращивание кукурузы и многолетних трав достоверно снижало численность жужелиц при первых двух учетах по сравнению с однолетними травами, в посеве ячменя наблюдалась лишь незначительная тенденция снижения. К сроку третьего учета различия выравнивались, лишь выращивание ячменя существенно повысило показатель, а многолетних трав 2 г.п. понизило его в сравнении с однолетними травами. В последующие учеты различия были несущественны, с преимуществом ячменя и кукурузы за счет большей вегетативной массы в конце вегетационного периода и привлечения насекомых.

Таблица 16 – Численность хищных жужелиц за вегетацию культур севооборота, шт./10 ловушко-суток (в среднем по изучаемым факторам)

По технологиям возделывания (в среднем по культурам севооборота) существенных различий по срокам учетов жужелиц обнаружено не было. Динамика изменения численности полезных насекомых была схожей – после первого учета показатель снижался, ко времени 3, 4 и 5 учетов возрастал и к концу вегетационного периода (6 учет) снова снижался.

В среднем за вегетацию культур кормового севооборота в 2020 году численность хищных жужелиц существенно изменялась только по фактору выращиваемой культуры (таблица 17).

Так, в посевах многолетних трав всех трех лет пользования, выращиваемых по высокоинтенсивной технологии, показатель существенно снизился по сравнению с однолетними травами. На остальных технологиях численность насекомых также снижалась, но несущественно. В целом на высокоинтенсивной технологии максимальное количество жужелиц отмечалось в посевах однолетних трав (14,4 шт./10 ловушко-суток), а на контрольной, интенсивной и органической – в посевах ячменя (16,0; 13,1 и 16,0 шт./10 ловушко-суток соответственно). Стоит отметить, что выращивание многолетних трав (особенно первого и третьего годов пользования) по органической технологии обеспечило значения показателя на уровне однолетних трав и кукурузы (9,1–14,3 шт./10 ловушко-суток).

Таблица 17 – Численность хищных жужелиц в среднем за вегетацию, шт./10 ловушко-суток

Если рассмотреть изменения показателя численности жужелиц в динамике, то можно отметить, что все достоверные различия наблюдались в начале вегетации сельскохозяйственных культур. Это были именно те случаи существенного снижения, которые определили закономерности изменения показателя в среднем за вегетацию – они заключались в значительном снижении численности жужелиц при выращивании многолетних трав по контрольной и высокоинтенсивной технологиям, а также кукурузы – по высокоинтенсивной и органической технологиям, по сравнению с однолетними травами и ячменем. Во второй половине вегетационного периода различия нивелировались по изучаемым факторам за счет того, что значения показателя снизились в посевах ячменя, а в посевах кукурузы и многолетних трав в основном возросли. В этот период максимальному распространению жужелиц способствовало выращивание ячменя по контрольной технологии (15,1 шт./10 ловушко-суток), кукурузы – по интенсивным технологиям (13,7 и 16,7 шт./10 ловушко-суток), многолетних трав 3 г.п. – по органической (16,8 шт./10 ловушко-суток), причем в последнем случае показатель достиг максимального значения среди всех вариантов.

В среднем по всем технологиям возделывания в посевах кукурузы и многолетних трав в среднем за вегетацию наблюдалось достоверное снижение численности хищных жужелиц по сравнению с однолетними травами и ячменем (в посеве этой культуры отмечалось максимальное количество полезных насекомых – 15,1 шт./10 ловушко-суток) (таблица 18).

Данная закономерность прослеживалась в начале вегетации и за счет этого периода – и в среднем за вегетацию. Это можно объяснить с одной стороны ранним посевом вико-овсяной смеси и ячменя и более ранним началом вегетации по сравнению с кукурузой, с другой – большим количеством насекомых-вредителей как фактора привлечения хищных жуков-жужелиц по сравнению с посевами многолетних трав.

Во второй половине вегетационного периода тенденции изменились в связи с уменьшением числа жужелиц в посеве ячменя, находившегося в состоянии уборочной зрелости (на 11,2% по сравнению с началом вегетации) и уборкой однолетних трав. При этом в посевах кукурузы и многолетних трав показатель возрос, соответственно на 50,5% – на кукурузе и на 25,6% – на многолетних травах (в среднем по трем годам пользования), что обеспечило максимальное значение показателя в посеве кукурузы (14,6 шт./10 ловушко-суток), что может быть связано с нарастанием вегетативной массы этих культур.

Таблица 18 – Численность хищных жужелиц в среднем за вегетацию, шт./10 ловушко-суток(в среднем по изучаемым факторам)

Целлюлозоразлагающая активность почвы

Целлюлозоразлагающая активность дерново-подзолистой почвы в 2020 году была на среднем уровне и изменялась в зависимости от изучаемых факторов (таблица 19).

В слое 0–20 см существенному увеличению показателя способствовало выращивание кукурузы и многолетних трав 3 г.п. по интенсивной и органической технологии, причем в первом случае за счет слоя 10–20 см, а во втором – 0–10 см, по сравнению с аналогичными вариантами технологий возделывания однолетних трав. Также обращает на себя внимание существенное увеличение активности разложения целлюлозы интенсивная технология возделывания ячменя и контрольная технология возделывания многолетних трав 3 года пользования в слое 10–20 см по сравнению с однолетними травами.

Таблица 19 – Целлюлозоразлагающая активность почвы, %

По фактору технологий возделывания достоверные различия были обнаружены на кукурузе в слое почвы 0–20 см, где использование органической технологии значительно увеличило показатель в сравнении с контролем, а также на многолетних травах 1 года пользования, где применение интенсивной технологии также способствовало существенному усилению активности в слое 0–20 см за счет нижнего слоя 10–20 см.

В целом можно отметить, что максимальной активности разложения целлюлозы способствовало использование органической технологии возделывания кукурузы (63,0%) и, особенно, многолетних трав 3 года пользования (67,0%).

В среднем по технологиям возделывания выращивание всех культур способствовало повышению показателя активности разложения целлюлозы по сравнению с однолетними травами, однако достоверное увеличение наблюдалось в посеве кукурузы и многолетних трав третьего года пользования во всех изучаемых слоях, что, возможно, связано, в первом случае с интенсивными обработками по уходу за культурой в период вегетации и активизацией аэробного разложения целлюлозы, а во втором – с большим количеством органических веществ (таблица 20).

Таблица 20 – Целлюлозоразлагающая активность почвы в среднем по изучаемым факторам, %

В отношении технологий возделывания в среднем по выращиваемым культурам обращает на себя внимание закономерность существенного увеличения целлюлозоразлагающей активности (в слое 0–20 см) при использовании высокоинтенсивной и органической технологий, а также тенденция увеличения (на 4,2%) при интенсивной технологии по сравнению с контролем. Это, вероятно, связано в случае с интенсивными технологиями с большим количеством органического вещества, поступающего после уборки урожая культурных растений, уровень которого существенно выше контрольной технологии, а в случае с органической технологией – с большим количеством органического вещества, поступающего с органическими удобрениями, и меньшими темпами его минерализации при ресурсосберегающей обработке почвы.

Таким образом, активизации разложения целлюлозы в большей степени способствует выращивание кукурузы и многолетних трав по высокоинтенсивной и, особенно, органической технологии.

Токсичность почвы

Токсические свойства дерново-подзолистая среднесуглинистая почва в 2020 году практически не проявляла по сравнению с абсолютным контролем (фильтровальной бумагой), так как не приводила к снижению показателей развития тест-объекта более чем на 20–30%; снижение в пределах 20–25% наблюдалось по показателю всхожести семян лишь на некоторых вариантах (таблица 21).

Всхожесть тест-культуры существенно изменялась на образцах почвы, взятых из слоя 0–10 см – применение интенсивной технологии возделывания многолетних трав 1 года пользования привело к достоверному снижению показателя по сравнению с одноименной технологией на остальных изучаемых культурах, именно интенсивная технология возделывания трав способствовала значительному снижению всхожести по сравнению с другими, в том числе контрольной. Различия по остальным вариантам были несущественными.

Таблица 21 – Токсичность почвы

Образцы почвы, взятые из среднего слоя 0–20 см на варианте контрольной технологии возделывания ячменя, обеспечили максимальную всхожесть тест-культуры, на остальных изучаемых культурных растениях показатель снижался в среднем на 6,6%, что в основном было обеспечено слоем 10–20 см, тогда как в верхнем слое 0–10 см тенденция была обратной – всхожесть практически на всех культурах была выше, чем на ячмене. Похожая динамика в слое 0–20 см наблюдалась и по варианту высокоинтенсивной и органической (кроме многолетних трав 1 года пользования) технологиям, снижение показателя в первом случае было в среднем на 6,3%, во втором – на 3,1%. При интенсивной технологии выращивания максимальная всхожесть наблюдалась в посевах многолетних трав 2 и, особенно, 3 года пользования (77,3%). На данном варианте всхожесть была максимальной во всех изучаемых слоях почвы среди всех вариантов опыта.

Изменения длины проростка носили несущественный характер, интересные тенденции заключались в следующем. Возделывание многолетних трав 1 года пользования практически по всем технологиям (за исключением органической) в слое 0–20 см способствовало максимальной длине проростка тест-культуры: на контрольном варианте превышение по сравнению с остальными культурами составило 10,9%, на интенсивной технологии – 29,7%, на высокоинтенсивной – 9,2%, стоит при этом отметить, что эти тенденции пахотного слоя были обусловлены в основном слоем 10–20 см. Это может быть связано с низкой всхожестью семян тест-культуры и лучшим развитием проростков взошедших семян из-за более низкой конкуренции. Длина проростка при органической технологии была максимальной при выращивании ячменя (10,0 см в слое 0–20 см, в основном за счет слоя 10–20 см – длина проростка 11,5 см – наибольшее значение среди всех вариантов опыта).

Средняя длина корней тест-культуры существенно возрастала на вариантах выращивания многолетних трав 1 года пользования по контрольной и интенсивной технологиям в слое 10–20 см и за счет него обеспечило наибольшие значения показателя и в среднем в слое 0–20 см, на остальных культурах в слое 0–20 см снижение составило 18,9 и 21,4% соответственно. На органической (как и в случае с длиной проростка) и высокоинтенсивной технологиях длина корней была наибольшей под посевом ячменя в слое 0–20 см на 4,1 и 6,8% соответственно, что также было обусловлено в основном слоем 10–20 см.

Таким образом, повышению показателя развития тест-культуры (снижению токсичности почвы) способствовало выращивание многолетних трав по контрольной и интенсивным технологиям, а ячменя – по органической.

В среднем по изучаемым факторам максимальной всхожести тест-культуры способствовали образцы почвы, взятые на вариантах выращивания ячменя в слое 0–20 см (67,3%), что было обусловлено слоем 10–20 см (70,3%), тогда как в слое 0–10 см всхожесть была выше на вариантах выращивания многолетних трав, особенно 3 года пользования (70,0%) (таблица 22). Это может быть связано с глубиной проникновения и общим развитием корневой системы культурных растений: более глубокое распространение корней кукурузы и многолетних трав в большей степени подавляло прорастание семян тест-культуры за счет аллелопатического воздействия в более глубоких слоях. Длина проростка наоборот увеличивалась на вариантах возделывания многолетних трав, особенно 1 года пользования (9,6 см в слое 0–20 см), тогда как длина корней, как и в случае со всхожестью, на вариантах выращивания ячменя (7,5 см в слое 0–20 см). Снижение токсичности почвы под посевами ячменя можно объяснить более коротким периодом вегетации (и, соответственно, временем воздействия на почву) по сравнению с многолетними травами и менее интенсивной технологией возделывания по сравнению с кукурузой.

Среди изучаемых технологий тенденции повышения показателей развития тест-культуры (снижению токсичности) способствовали варианты без применения агрохимикатов. Так, органическая технология способствовала повышению всхожести по сравнению с интенсивными технологиями в среднем на 8,1% в слое 0–20 см, при данной технологии показатель достиг своего максимума во всех изучаемых слоях. Длина проростка также возрастала (в среднем на 2,9% в слое 0–20 см) при использовании органической технологии (с максимумом в слое 10–20 см – 9,3 см). Наибольшей длине корней способствовала контрольная технология (7,7 см в слое 0–20 см за счет слоя 10–20 см – 7,8 см), однако это связано, в первую очередь, с необходимостью увеличивать площадь корневой системы для поиска питательных элементов в связи с низким их содержанием без применения каких-либо удобрений при данной технологии.

Таблица 22 – Токсичность почвы в среднем по изучаемым факторам

Таким образом, выращивание многолетних трав обеспечивает улучшение питательного режима и более мощного развития проростка тест-культуры, однако всхожесть и длина корней имеют динамику увеличения при выращивании ячменя как культуры, оказывающей наименьшее отрицательное воздействие на почву (как со стороны своей корневой системы, так и со стороны технологии ее возделывания). Исключение из технологий возделывания пестицидов и минеральных удобрений способствует повышению показателей развития тест-культуры – снижению токсичности почвы, что особенно проявилось при органической технологии.

В целом воспроизводству и повышению агробиологических свойств почвы способствует выращивание многолетних трав, а снижению токсичности почвы – ячменя. С точки зрения технологий возделывания преимущество имеет органическая, обеспечивающая повышение обилия почвенной фауны, активности микроорганизмов и снижения токсичности.

2.2.4 Фитосанитарное состояние посевов

Болезни культур полевого севооборота

В посеве вико-овсяной смеси были выявлены заболевания как вики яровой, так и овса (таблица 23). На растениях вики был обнаружен аскохитоз, причем наибольшую распространенность это заболевание имело при контроле (36,7%) и высокоинтенсивной (26,7%) технологии возделывания, тогда как на органической и биологизированной технологиях значение было минимальным, соответственно 6,7 и 3,3%, такую же динамику проявил и показатель развития аскохотоза.

Таблица 23 – Болезни вико-овсяной смесив зависимости от технологий возделывания (числитель – распространенность, %; знаменатель – развитие, балл)

На растениях овса было обнаружено несколько заболеваний, однако такие как ореольный бактериоз и бактериальный листовой ожог были выявлены в единичных случаях, а красно-бурая пятнистость была характерна для всех вариантов возделывания, причем наибольшей распространенности и развитию способствовало выращивание овса по биологизированной (70,0 и 3,0% соответственно) и высокоинтенсивной технологиям (50,0 и 1,7% соответственно).

При использовании органической технологии были отмечены минимальные показатели заболевания красно-бурой пятнистостью.

Таким образом, растения вико-овсяной смеси в меньшей степени подвергались воздействию возбудителей болезней при возделывании ее по органической технологии.

Большинство растений яровой тритикале были поражены желтой пятнистостью – распространение варьировало в несущественных пределах в зависимости от технологии возделывания от 76,7 до 80,0%, при этом балл развития был 1,0–2,0 с максимальным значением на органической технологии (таблица 24).

Растения кукурузы были поражены гельминтоспориозом, причем распространение и развитие достигло максимума на контрольной технологии (73,3 и 1,3% соответственно), а на органической показатели были более чем в 2 раза ниже – на этом варианте они были минимальными (33,3 и 0,7% соответственно).

Таблица 24 – Болезни зерновых культур в зависимости от технологий возделывания (числитель – распространенность, %; знаменатель – развитие, балл)

В посеве ячменя были обнаружены в основном желтая и полосатая пятнистость, а также темно-бурая пятнистость, но в последнем случае заражение растений было единичным. Что касается желтой пятнистости, то наименьшему распространению способствовала интенсивная (66,7%) и высокоинтенсивная (76,7%) технологии возделывания с минимальным развитием, к повсеместному же распространению (100%) привело использование контрольной и органической технологий, именно на этих технологиях наблюдалось и максимальное развитие болезни (3,3 и 2,7 соответственно). Распространение полосатой пятнистости варьировало в пределах 6,7–33,3%, причем минимальному показателю способствовала интенсивная технология, а максимальному – высокоинтенсивная, развитие болезни было невысоким и находилось в пределах 0,3–1,0 балла.

Таким образом, в посевах ячменя преимущество в снижении заболеваемости имела интенсивная технология его возделывания, в посевах кукурузы – органическая, в посевах тритикале показатели были сходными по всем технологиям.

В многолетней кормовой смеси 1 года пользования были обнаружены следующие заболевания: Растения люцерны были поражены в единичных экземплярах ржавчиной, однако большее распространение имела бурая пятнистость с максимальным значением 70% при органической технологии, минимальному распространению привело использование контрольной технологии (6,7%), развитие заболевания имело сходную динамику в зависимости от технологий возделывания, однако показатель был в пределах 0,7–2,7 балла (таблица 25).

Таблица 25 – Болезни многолетних трав 1 г.п. в зависимости от технологий возделывания (числитель – распространенность, %; знаменатель – развитие, балл)

Растения овсяницы луговой проявляли признаки различных пятнистостей, при этом полосатая, сетчатая и желтая не имели широкого распространения и были характерны для отдельных экземпляров растений, тогда как бурая пятнистость была заметно распространена – максимальное значение наблюдалось при высокоинтенсивной технологии (56,7%), тогда как использование экологических технологий (органической и биологизированной) способствовало минимальным значениям распространения бурой пятнистости (6,7 и 0,0% соответственно), такую же динамику имел и показатель развития болезни, а общее варьирование развития было 0,0–1,7 балла.

Бурая пятнистость была отмечена, как наиболее распространенная болезнь и на растениях тимофеевки, однако значения были ниже, чем на овсянице – распространение варьировало в пределах 0,0–16,7, развитие 0,3–1,0 балла. Среди изучаемых технологий применение интенсивной, контрольной и органической имело преимущество перед остальными в снижении как распространения, так и развития болезни, максимальное поражение отмечалось при биологизированной технологии. Растения тимофеевки также были поражены полосатой пятнистостью, ее распространение было ниже – 0,0–16,7%, развитие – 0,0–0,7 балла, при этом динамика по сравниваемым технологиям была похожа – максимальным значениям способствовала биологизированная технология, а минимальным – органическая.

Таким образом, наименьшей заболеваемости бобового компонента многолетних трав 1 года пользования способствовала контрольная технология, а злаковых компонентов – органическая.

Люцерна второго года пользования была поражена бурой пятнистостью с большим распространением и степенью, чем первого (таблица 26). При сравнении технологий возделывания минимальным показателем распространения характеризовалась интенсивная и органическая технологии (10,0 и 20,0% соответственно), то же наблюдалось и по показателю развития болезни.

Овсяница второго года пользования характеризовалась возросшим распространением и развитием сетчатой и полосатой пятнистостей. Так, полосатая пятнистость достигла максимального распространения (33,3%) и развития (1,0) при интенсивной технологии с минимальными значениями при биологизированной, органической и контрольной технологиях. Распространенность сетчатой пятнистости варьировало в пределах 16,7–30,0% с минимальными значениями при органической, контрольной и интенсивной технологиях. Однако наибольшую распространенность, как и в случае с первым годом пользования, имела бурая пятнистость овсяницы, варьирование было на уровне 3,3–56,7%, при этом минимальным значениям способствовало применение контрольной технологии (распространение 3,3%, развитие 0,3 б.), а максимальным – высокоинтенсивной (56,7% и 1,0 соответственно).

Таблица 26 – Болезни многолетних трав 2 г.п. в зависимости от технологий возделывания (числитель – распространенность, %; знаменатель – развитие, балл)

Бурая пятнистость тимофеевки луговой второго года пользования имела динамику увеличения как распространения, так и развития, по сравнению с первым. Среди изучаемых технологий высокоинтенсивная обеспечила минимальную распространенность (6,7%) и развитие (0,3) болезни.

Таким образом, наименьшей заболеваемости люцерны 2 года пользования способствовало применение интенсивной и органической технологий, овсяницы – контрольной и органической технологий, тимофеевки – высокоинтенсивной технологии.

Третий год пользования люцерны изменчивой характеризовался еще более возросшей распространенностью и развитием бурой пятнистости (таблица 27). Наименьшим показателям способствовало применение высокоинтенсивной технологии (10,0% и 1,0 балла соответственно), тогда как органическая привела к наибольшим значениям (100% и 2,0 балла соответственно).

Таблица 27 – Болезни многолетних трав 3 г.п. в зависимости от технологий возделывания (числитель – распространенность, %; знаменатель – развитие, балл)

Желтая и полосатая пятнистости овсяницы луговой третьего года пользования встречались эпизодически, тогда как бурая и сетчатая пятнистости были довольно распространены. Так, применение биологизированной и высокоинтенсивной технологий способствовало распространению бурой пятнистости на 46,7 и 43,3% соответственно, при развитии в обоих случаях 1,0 балла; отсутствию данной болезни способствовало применение интенсивной технологии. Распространение и развитие сетчатой пятнистости наоборот было максимальным при интенсивной технологии (30,0% и 1,3 соответственно), а минимальным – при высокоинтенсивной.

Бурая пятнистость тимофеевки луговой третьего года пользования имела более низкие значения распространения и развития, чем второго и первого. Использование биологизированной технологии ее возделывания способствовало отсутствию проявления бурой пятнистости, максимальным же значениям распространения (20,0%) и развития (0,7) способствовала интенсивная технология возделывания.

Таким образом, созданию более благоприятных условий для снижения заболеваемости люцерны 3 года пользования способствовала высокоинтенсивная технология, овсяницы – интенсивные технологии, тимофеевки – биологизированная.

В итоге использование экологических технологий возделывания кормовых культур, особенно органической не способствовало ухудшению фитосанитарного потенциала, а зачастую приводило к его улучшению в посевах вико-овсяной смеси, кукурузы, многолетних трав первого и второго лет пользования. Применение интенсивных технологий положительно сказалось на снижении заболеваемости ячменя и многолетних трав 3 года пользования.

Численность и сухая масса сорных растений

Общая численность сорной растительности в 2020 году в посевах кормовых культур была на довольно высоком уровне, особенно в посеве вико-овсяной смеси (таблица 28). По сравнению с ней численность сорняков в посевах многолетних трав всех лет пользования была существенно меньше при всех технологиях их возделывания. Такой же закономерности способствовало выращивание яровой тритикале по фону контрольной технологии.

Таблица 28 – Численность (шт./м²) и сухая масса (г/м²) сорных растений в посевах кормовых культур в среднем за их вегетацию

При сравнении технологий возделывания по показателю общей численности отмечалось существенное ее снижение в посевах вико-овсяной смеси на всех вариантах по сравнению с контролем, аналогичной закономерности способствовало выращивание ячменя по органической технологии в сравнении с контролем, в посевах остальных культур достоверных различий обнаружено не было. Однако стоит отметить тенденции снижения общей численности сорных растений: снижению показателя в посевах ячменя, кукурузы, многолетних трав 3 года пользования способствовало их выращивание по интенсивной (соответственно, на 14,4%, 10,1%, в 2,51 раза), высокоинтенсивной (соответственно, на 27,9%, 23,2%, 2,7%), органической (соответственно, на 52,6%, 6,0%, 16,2%) и биологизированной (соответственно, на 41,7%, 36,1%, в 1,96 раза) технологиям по сравнению с контролем.

В посеве многолетних трав 1 года пользования этому способствовали высокоинтенсивная и органическая технологии (соответственно, на 28,3 и 14,3%), в посеве многолетних трав 2 года пользования – все технологии, кроме органической (в среднем на 58,6%), в посеве яровой тритикале наблюдалась тенденция повышения численности сорняков на всех технологиях по сравнению с контролем (в среднем на 48,6%), причем наименьшее увеличение отмечалось при органической технологии (на 6,0%).

Изменение общей сухой массы в зависимости от выращиваемой культуры и технологии возделывания были несущественными, однако тенденции были вполне схожи с показателем общей численности. Стоит при этом обратить внимание на следующую динамику. Снижению показателя в посеве вико-овсяной смеси способствовало использование органической и биологизированной технологий (на 14,8 и 91,4%), интенсивные повышали показатель (в среднем на 29,2%) по сравнению с контролем. Возделывание ячменя по высокоинтенсивной и органической технологиям снизило общую сухую массу, соответственно, на 2,0 и 17,8%, тогда как по интенсивной и биологизированной увеличило, соответственно, на 10,7 и 28,3%. В посеве кукурузы сухая масса увеличивалась только при использовании высокоинтенсивной технологии (на 17,0%), тогда как при остальных наблюдалась тенденция ее снижения в сравнении с контрольной, особенно при органической – на 41,9%. В посеве яровой тритикале, напротив, при интенсивной технологии показатель был минимален (5,2 г/м²), что было ниже контроля на 86,5%, тогда как остальные технологии привели к увеличению сухой массы в среднем в 2,0 раза, при этом органическая технология способствовала наименьшей тенденции увеличения показателя сухой массы (на 35,1%), как и в случае с численностью. При возделывании многолетних трав 1 года пользования увеличению массы сорняков способствовало использование биологизированной технологии (на 20,1%), остальные технологии привели к снижению показателя, особенно органическая (на 86,7%), что вполне соотносится с динамикой численности сорных растений. Изучаемые технологии возделывания многолетних трав 2 года пользования привели к тенденции увеличения сухой массы сорняков в сравнении с контролем, особенно (как и в случае с травами 1 года пользования) биологизированной – на 62,4%, при этом органическая технология привела к наименьшему увеличению массы – на 5,2%, несмотря на большую численность. В посеве многолетних трав 3 года пользования масса сорняков снижалась на всех изучаемых технологиях (в среднем на 44,6%), кроме высокоинтенсивной (увеличение составило 16,5%), минимальной массе способствовала органическая технология (5 г/м²).

Биогруппа многолетних сорных растений по своей численности заметно уступала малолетней. При этом достоверные различия были характерны только по фактору технологии возделывания. Так, практически все изучаемые технологии возделывания вико-овсяной смеси способствовали существенному снижению численности многолетних сорняков по сравнению с контролем. Достоверное снижение показателя было также отмечено при возделывании кукурузы по биологизированной технологии. Изменения по остальным вариантам носили характер тенденции. Среди них стоит обратить внимание, что применение органической технологии привело к динамике увеличения численности многолетников в посевах ячменя (на 21,8%), кукурузы (на 5,4%), многолетних трав 2 года пользования (на 15,9%), но способствовало снижению показателя в посевах яровой тритикале (на 5,3%), трав 1 и 3 года пользования (в 2,43 раза и 34,0% соответственно). Использование биологизированной технологии способствовало снижению численности многолетних сорняков на всех культурах (в среднем на 13,1%), кроме яровой тритикале – наблюдалось увеличение (на 50,0%). Интенсивная технология была эффективна в снижении численности многолетних сорняков также практически на всех культурах (в среднем на 49,7%), кроме ячменя – показатель был на уровне контроля. Высокоинтенсивная технология способствовала снижению численности многолетников в посевах ячменя (в 2,1 раза), кукурузы (на 40,1%), многолетних трав 1 и 2 года пользования (соответственно, в 2,9 раза и на 72,5%) и увеличению в посевах яровой тритикале (в 3,9 раза), многолетних трав 3 года пользования (на 6,5%).

Сухая масса многолетних сорных растений, несмотря на меньшую численность, была выше, чем малолетней группы, особенно в посевах однолетних и многолетних трав, кукурузы и ячменя, что говорит о их большей вредоносности. При изучении динамики изменения сухой массы многолетних сорняков достоверные различия были выявлены лишь при сравнении технологий возделывания однолетних трав – применение биологизированной технологии существенно снизило показатель по сравнению с контролем, остальные технологии также снижали показатель, но несущественно (в среднем на 34,5%). Однако интересны следующие тенденции. Применение биологизированной технологии привело к повышению сухой массы многолетников в посевах ячменя (на 4,8%), яровой тритикале (на 48,1%), многолетних травах 1 и 2 лет пользования (на 4,3 и 44,4% соответственно), в посеве трав 3 года пользования показатель был на уровне контроля, только в посеве кукурузы показатель снизился по сравнению с контролем (в 2,4 раза). Преимущественно повышению сухой массы способствовало использование высокоинтенсивной технологии при возделывании яровой тритикале (в 2,0 раза), многолетних трав 2 и 3 лет пользования (на 11,0 и 17,4% соответственно), снижение показателя наблюдалось в посевах однолетних трав (в 2,5 раза), ячменя (на 15,3%), кукурузы (на 2,2%), многолетних трав 1 года пользования (на 82,5%). Интенсивная технология привела к снижению сухой массы многолетников практически в посевах всех культур (в среднем на 78,9%), кроме многолетних трав 2 года пользования – в их посеве наблюдалось увеличение показателя (на 13,1%). Примечательным также является факт снижения сухой массы многолетних сорняков при использовании органической технологии возделывания однолетних трав (на 13,3%), ячменя (на 27,3%), кукурузы (в 1,9 раза), причем в последних двух случаях не смотря на большую их численность, многолетних трав 1 и 3 года пользования (соответственно, в 2,3 раза и в 2,9 раза), увеличение показателя при органической технологии по сравнению с контролем было отмечено в посевах яровой тритикале (на 14,3%), в посеве многолетних трав 2 года пользования показатель был на уровне контроля.

Численность малолетней группы преобладала в общей численности сорняков, при этом существенному снижению количества малолетних сорных растений способствовало выращивание многолетних трав 2 и 3 лет пользования в сравнении с однолетними на всех вариантах технологий возделывания, такая же закономерность наблюдалась и в посеве трав 1 года пользования, но только при контрольной технологии. Достоверное изменение численности малолетних сорняков в зависимости от технологии возделывания отмечалось лишь в посеве ячменя, когда применение органической технологии существенно снизило показатель в сравнении с контролем. В посеве однолетних трав и ячменя все изучаемые технологии способствовали снижению численности малолетних сорных растений по сравнению с контролем (в среднем на 15,4 и 35,1% соответственно). В посеве кукурузы и многолетних трав 2 и 3 года пользования наблюдалась похожая тенденция, но в первом случае исключение составила интенсивная технология (показатель увеличился на 3,5%), в двух случаях с травами – органическая технология (увеличение показателя было, соответственно, на 8,1% и в 2,0 раза). В посевах яровой тритикале и многолетних трав 1 года пользования все изучаемые технологии привели к повышению численности малолетних сорных растений по сравнению с контролем (в среднем, соответственно, на 45,4 и 57,2%).

Сухая масса малолетних сорных растений изменялась более существенно, чем многолетних. Так, возделывание многолетних трав всех лет пользования по высокоинтенсивной технологии привело к достоверному снижению сухой массы малолетников по сравнению с однолетними травами. Использование практически всех технологий возделывания кормовых культур привело к повышению сухой массы, причем существенному увеличению способствовало применение высокоинтенсивной технологии возделывания однолетних трав, биологизированной технологии возделывания ячменя, интенсивной, высокоинтенсивной и биологизированной технологии возделывания кукурузы, высокоинтенсивной технологии возделывания яровой тритикале, биологизированной технологии возделывания многолетних трав 1 года пользования. Лишь органическая технология привела к снижению сухой массы (в посеве однолетних трав на 19,5%) или ее несущественному увеличению в сравнении с контролем.

Таким образом, биологизированная технология обеспечила минимальное засорение, особенно многолетними сорняками, посева однолетних трав и кукурузы. Интенсивная технология была более эффективна в снижении обилия малолетней группы сорняков, особенно в посевах однолетних трав, яровой тритикале и многолетних трав 2 и 3 лет пользования. Высокоинтенсивная технология проявила свою эффективность в снижении обилия многолетних сорных растений в посеве однолетних и многолетних трав. Органическая технология возделывания способствовала минимальному засорению посевов ячменя и яровой тритикале как малолетней, так и многолетней группой сорняков, при возделывании кукурузы и многолетних трав данная технология привела к наименьшему накоплению сухой массы, особенно многолетними сорняками, несмотря на некоторое увеличение их численности.

Если рассмотреть динамику изменений показателей обилия сорных растений в среднем по изучаемым факторам, то можно отметить, что общая численность сорных растений существенно снижалась в посевах яровой тритикале и многолетних трав всех лет пользования по сравнению с однолетними травами (таблица 29).

Таблица 29 – Численность (шт./м²) и сухая масса (г/м²) сорных растений в посевах кормовых культур в среднем за их вегетацию (в среднем по изучаемым факторам)

Тенденции снижения также отмечались и при возделывании ячменя и кукурузы (на 49,8 и 40,0% соответственно). Существенное снижение численности сорных растений, характерное для посевов многолетних трав, было обусловлено в первую очередь достоверным снижением численности малолетней группы, однако и численность многолетников в агроценозах трав также была минимальная среди остальных культур севооборота (за исключением яровой тритикале). Стоит также отметить, что общая численность сорняков и численность малолетней группы снижалась по мере увеличения возраста многолетних трав от первого года пользования к третьему. Динамика изменения сухой массы была сходна с показателем численности, однако существенное снижение показателя было обнаружено только при выращивании многолетних трав.

Наибольшей численности и, в большинстве случаев, сухой массы сорных растений как общей, так и обеих изучаемых биологических групп, способствовало выращивание однолетних трав и кукурузы, что возможно, связано со слабым развитием трав и высокой засоренностью междурядий кукурузы. Также в посеве ячменя, несмотря на меньшую численность сорняков по сравнению с однолетними травами и кукурузой, сухая их масса была наибольшей (46,9 г/м²), увеличение по сравнению с однолетними травами составило 29,6%, причем это происходило за счет более вредоносной многолетней группы (в 2,1 раза), что говорит о слабой конкурентной способности ячменя по отношению к многолетним сорнякам.

При сравнении технологий возделывания внимания заслуживает факт снижения общей численности, численности многолетних сорных растений и малолетних видов (за исключением биологизированной) при использовании всех технологий по сравнению с контролем. Причем наибольшему снижению общей численности способствовала органическая технология (на 18,2%), а наименьшему – интенсивная (на 13,1%). Органическая технология была также наиболее эффективна в снижении численности малолетней группы (на 15,9%), тогда как в отношении многолетних сорняков она уступала по эффективности остальным технологиям (на которых отмечалось существенное снижение показателя в сравнении с контролем), но все же обеспечила снижение показателя в сравнении с контрольной технологией (на 24,6%). Примечательным также является факт наименьшего накопления общей сухой массы сорных растений и многолетней сорных растений при использовании именно органической технологии возделывания: снижение составило по общей массе 25,9%, по многолетним видам – 42,8%. Также стоит отметить, что по снижению накопления сухой массы малолетними видами наиболее эффективна была контрольная технология, остальные способствовали достоверному увеличению, за исключением органической.

Таким образом, многолетние травы, а также яровая тритикале проявили высокую конкурентоспособность по отношению к сорной растительности как по показателю численности, так и сухой массы. Невысокой конкурентной способностью обладали однолетние травы, особенно по отношению к малолетним видам, и ячмень, особенно по отношению к многолетним; в посеве кукурузы высокое обилие сорной растительности было связано в первую очередь с засоренностью междурядий.

Изучаемые технологии способствовали снижению обилия сорных растений по сравнению с контролем, за исключением сухой массы малолетней группы сорняков. Наиболее эффективной оказалась органическая технология возделывания.

Видовой состав многолетних видов сорняков насчитывал 13 видов, среди которых были выявлены осот полевой (составлял от 18,5% в сообществе сорной растительности яровой тритикале до 56,4 % в сообществе многолетних трав 2 года пользования), бодяк полевой (с долей участия от 15,4% в посеве многолетних трав 1 года пользования до 52,7% в сообществе сорного компонента фитоценоза кукурузы), одуванчик лекарственный (с долей участия от 1,0% в агрофитоценозе вико-овсяной смеси до 39,0% в агрофитоценозе многолетних трав 3 года пользования), хвощ полевой (с долей участия 37,2% в посеве яровой тритикале), яснотка белая (с долей участия 28,5% в посеве ячменя), а также вьюнок полевой, чистец болотный, щавель конский, подорожник большой, лютик ползучий, пырей ползучий, будра плющевидная и лапчатка гусиная с небольшой долей участия (до 9,0%). Среди культур наибольшему видовому разнообразию способствовало выращивание ячменя и кукурузы, а наименьшему – многолетних трав.

Если рассмотреть видовой состав многолетних сорных растений в разрезе технологий возделывания, то наибольшая доля участия была характерна для осота полевого (от 32,4% при контрольной технологии до 39,7% при интенсивной), бодяка полевого (от 17,3% при интенсивной технологии и до 34,6% на контроле) и одуванчика лекарственного (от 10,6% при органической технологии до 16,3% при интенсивной). Наибольшему видовому разнообразию способствовала органическая технология (все 13 видов), наименьшему – интенсивная (10 видов).

Среди малолетних сорняков было выявлено 23 вида, среди которых преобладали марь белая (доля участия в сообществе сорняков составила от 23,1% в посеве ячменя до 42,9% в посеве кукурузы), звездчатка злаковая (доля участия от 5,1% в посеве кукурузы до 39,5% в посеве многолетних трав 2 года пользования), ярутка полевая (до 26,2% в сообществе сорной растительности посева кукурузы), горец шероховатый (с долей участия до 20,0% в посеве многолетних трав 3 года пользования), ромашка непахучая (до 13,1% в сообществе сорняков в посеве многолетних трав 1 года пользования), звездчатка средняя (до 18,8% в сообществе сорняков в посеве многолетних трав 1 года пользования), подмаренник цепкий (до 20,5% в сообществе сорной растительности вико-овсяной смеси), незабудка полевая (до 12,1% в сообществе сорной растительности яровой тритикале), а также горец вьюнковый, фиалка полевая, горчица полевая с долей участия до 10% и некоторые другие виды.

Как и в случае с многолетними сорными растениями, среди культур наибольшему видовому разнообразию малолетников способствовало выращивание ячменя (21 вид) и кукурузы (18 видов), а наименьшему – многолетних трав (от 11 видов в посеве многолетних трав 1 года пользования до 3 видов в посеве трав 3 года пользования).

Видовой состав малолетних сорных растений в разрезе технологий возделывания был следующим. Наибольшая доля участия была характерна для мари белой (от 13,6% при высокоинтенсивной технологии до 23,8% при биологизированной), звездчатки злаковой (от 9,0% при интенсивной технологии и до 26,1% при высокоинтенсивной), ромашки непахучей (преобладала при органической технологии – доля участия 17,3%), горца шероховатого (до 14,3% на контрольной технологии), ярутки полевой (преобладала при высокоинтенсивной технологии – доля участия 9,9%), подмаренника цепкого (до 10,5% на контрольной технологии), другие виды занимали менее 10% в сообществе сорной растительности. Наибольшему видовому разнообразию способствовала контрольная технология (все 22 вида), наименьшему – высокоинтенсивная (17 видов).

Численность вредных насекомых

Количество вредных насекомых в 2020 году на некоторых вариантах было на довольно высоком уровне. Так, в посеве яровой тритикале при интенсивной и высокоинтенсивной технологиях численность вредителей была существенно больше, чем в посеве однолетних трав, причем на высокоинтенсивной технологии показатель был максимален среди всех вариантов (71,3 шт./м²), в посеве ячменя на варианте органической технологии общая численность вредных насекомых также была существенно выше, чем в посеве однолетних трав на одноименной технологии (таблица 30).

Влияние технологий возделывания в посевах кормовых культур на численность вредителей было различным. В посеве вико-овсяной смеси и ячменя минимальной численности способствовало использование интенсивной технологии, снижение в сравнении с контролем составило 28,3 и 51,8% соответственно, увеличение показателя в посеве однолетних трав наблюдалось при высокоинтенсивной и биологизированной технологиях (на 38,8 и 8,3% соответственно), в посеве ячменя – при органической (на 25,6%). В посевах кукурузы и яровой тритикале, наоборот численность вредных насекомых была минимальной при органической технологии – она снизилась в сравнении с контролем, соответственно, на 6,2 и 15,9%; на остальных вариантах показатель увеличивался, особенно на высокоинтенсивной технологии (соответственно, на 60,8% и в 3,0 раза, в последнем случае – с существенной разницей).

Таблица 30 – Численность вредных насекомых в посевах кормовых культур в среднем за их вегетацию, шт./м²

В посевах многолетних трав 1 года пользования численность вредителей снижалась на всех технологиях по сравнению с контролем, причем при высокоинтенсивной и биологизированной – существенно. На травах 2 и 3 года пользования изучаемые технологии были не столь эффективны в сравнении с контролем: в первом случае снижение наблюдалось только при интенсивной (на 65,5%) и биологизированной (на 16,9%), во втором – при интенсивной (на 13,1%), высокоинтенсивной (на 23,6%) и органической (на 3,6%).

В среднем по изучаемым факторам интересным является факт существенного повышения общей численности вредителей в посеве яровой тритикале и тенденции повышения на 8,4% в посеве ячменя в сравнении с однолетними травами, тогда как в посевах многолетних трав всех лет пользования и, особенно, кукурузы наблюдалось достоверное уменьшение насекомых, что говорит о большем количестве вредителей классических зерновых культур (таблица 31).

Таблица 31 – Численность вредных насекомых в посевах кормовых культур в среднем за их вегетацию (в среднем по изучаемым факторам), шт./м²

Различия по технологиям возделывания в среднем по культурам были несущественны, однако наблюдалась тенденция снижения численности вредителей на всех вариантах (на интенсивной – на 19,5%, органической – на 3,3%, биологизированной – на 8,9%), кроме высокоинтенсивной – отмечалось повышение показателя на 27,1%, что, возможно, связано с более высокой плотностью посевов и урожайностью культур на наиболее интенсивном фоне питания и, соответственно, привлечением большего количества насекомых.

Видовой состав вредных насекомых в посевах сельскохозяйственных культур был следующим: обыкновенная злаковая тля (Schizaphis graminum), клеверный долгоносик (семейство Apionidae), луговой клоп (Lygus pratensis), настоящий пилильщик (семейство Tenthredinoidea р.), шведская муха (Oscinella frit), пьявица синяя (Lema lichen Voet), мотылек стеблевой (Ostrinia nubilalis), жук-листоед (семейство Chrysomelidae).

В посевах всех культур были определены шведская муха (от 12,5% от общего количества вредителей в посеве яровой тритикале до 44,6% в посеве кукурузы) и обыкновенная злаковая тля (от 10,7% в посеве многолетних трав 1 года пользования до 23,3% в посеве яровой тритикале), в посеве ячменя и яровой тритикале широкое распространение имел луговой клоп (15,5 и 17,9% соответственно), в посевах многолетних трав – клеверный долгоносик (от 28,2 до 39,6% от общей численности).

В разрезе технологий возделывания наибольшую долю среди вредных насекомых занимала шведская муха (от 22,6% при биологизированной до 35,6% при контрольной технологии), клеверный долгоносик (от 15,9% при интенсивной до 21,7% при биологизированной), обыкновенная злаковая тля (от 12,6% при контрольной технологии до 19,9% при биологизированной).

Таким образом, культурами, в большей степени привлекающими насекомых-вредителей в 2020 году, были ячмень и, особенно, яровая тритикале, при наименьших значениях на кукурузе и многолетних травах. Высокий агрофон при высокоинтенсивной технологии способствовал увеличению численности насекомых по сравнению с контролем, на остальных изучаемых вариантах наблюдалось снижение показателя.

2.2.5 Продуктивность культур кормового севооборота

Общая масса вико-овсяной смеси на изучаемых технологиях существенно превышала контроль (таблица 32).

В структуре урожая вико-овсяной смеси преобладала доля овса и она составляла по экстенсивной технологии 36,1%, а на долю вики яровой приходилось 19,5%. По биологизированной технологии доля вики яровой увеличилась на 2,8% и составила 22,3%, доля овса в урожае так же возросла до 44,3%. Интенсивная и высокоинтенсивная технологии способствовали резкому уменьшению доли вики яровой в урожае. Органическая и высокоинтенсивная технологии способствовали повышению доли овса в урожае до 60,0–66,5% соответственно.

Таблица 32 – Ботанический состав вико-овсяной смеси

Анализ структуры урожая ячменя показал, что наибольшее количество растений отмечалось при интенсивной и органической технологиях, количество стеблей с колосом было существенно выше при интенсивной и биологизированной технологиях, при этом продуктивная кустистость была максимальной именно при биологизированной технологии – 3,99 (таблица 33).

Таблица 33 – Структура урожая ячменя

Показатели развития колоса были выше при интенсивной и органической технологии. Так, его длина была 8,0 и 8,5 см соответственно, что выше контроля на 12,7 и 19,7%, масса зерна в колосе существенно превышала контроль по всем вариантам технологий, а число зерен в колосе при вышеуказанных технологиях было выше контроля на 6,9 и 4,9% соответственно.

Масса 1000 зерен ячменя достоверно повышалось на всех технологиях, за исключением биологизированной. Масса зерна с 1 м² существенно не отличалась в зависимости от применяемых технологий, но имела тенденцию повышения по отношению к контролю, особенно при высокоинтенсивной (на 31,8%), по органической технологии несмотря на более высокие показатели развития колоса, показатель снизился на 9,8%, что обусловлено низкой продуктивной кустистостью.

В структуре урожая кукурузы преобладала доля стеблей (таблица 34).

Таблица 34 – Структура урожая кукурузы

Так, по экстенсивной технологии она составила 46,0%, на долю початков и листьев приходилось 39,0 и 15,0% соответственно. По органической и биологизированной технологиям возделывания доля стеблей снижалась до 44,5–45,2%, что приводило к увеличению наиболее ценной части урожая – початков 40,9–41,3% соответственно. Увеличение массы стеблей приводило к преобладанию в урожае их доли до 47,0–47,8% по интенсивной и высокоинтенсивной технологиям. Изучаемые технологии повлияли на увеличение массы листьев и початков. Так, по экстенсивной технологии масса листьев с растений составляла 800 г/м², а початков – 2078 г/м², а наибольшей массы они достигли по высокоинтенсивной технологии – 1418 и 3937 г/м² соответственно, различия в сравнении с контролем носили существенный характер. Общая масса растений кукурузы увеличивалась на всех изучаемых технологиях по сравнению с контролем, однако достоверное увеличение было характерно только для высокоинтенсивной технологии.

В первом укосе многолетних трав первого года пользования на долю люцерны приходилось 6,4–15,8% по всем технологиям возделывания (таблица 35).

Органическая и высокоинтенсивная технологии возделывания снижали долю люцерны в травостое. В первом укосе многолетних трав второго года пользования на долю люцерны приходилось 2,7–5,8% по экстенсивной, органической, биологизированной и интенсивной технологиям возделывания, резкое уменьшение произошло на высокоинтенсивной технологии (до 0,4%). В первом укосе многолетних трав третьего года пользования на долю люцерны приходилось 6,2–24,7%, наибольшая ее доля (22,0–24,7%) отмечалась на органической и биологизированной технологиях. При длительном возделывании многолетних трав в структуре урожая первого укоса уменьшается доля разнотравья.

Во втором укосе многолетних трав первого, второго и третьего лет пользования в структуре урожая доли люцерны и разнотравья увеличились. Третий укос был получен с многолетних трав первого и второго года пользования, травы третьего года пользования распаханы под озимую тритикале. В третьем укосе многолетних трав первого года пользования на долю люцерны приходилось 7,2–27,3%, наибольшая ее доля отмечалась на биологизированной технологии.

В третьем укосе многолетних трав второго года пользования на долю люцерны приходилось 1,8–32,0%, наибольшая ее величина отмечалась также на биологизированной технологии. В третьем укосе резко снизилась доля разнотравья.

Изучаемые технологии существенно повысили урожайность вико-овсяной смеси по сравнению с контролем (таблица 36).

Так, если по экстенсивной технологии ее урожайность зеленой массы составила 16,1 т/га, то по органической и биологизированной – 25,3 и 35,8 т/га соответственно. Применение более высоких доз минеральных удобрений по интенсивной (N₆₀P₆₀K₉₀) и высокоинтенсивной (N₉₀P₉₀K₁₂₀)технологиям приводило к снижению урожайности зеленой массы вико-овсяной смеси до 23,7–29,9 т/га по сравнению с органической и биологизированной технологиями. Наибольший сбор обменной энергии, кормовых единиц и сырого протеина наблюдался при биологизированной технологии.

Таблица 35 – Ботанический состав многолетних трав

Таблица 36 – Продуктивность однолетних трав, яровой тритикале и ячменя в севообороте

На урожайность зеленой массы яровой тритикале так же существенно повлияли изучаемые технологии. По экстенсивной технологии ее урожайность составила 15,1 т/га. По органической технологии при запашке осенью зеленой массы многолетних трав второго укоса урожайность яровой тритикале возросла на 2,2 т/га, или на 14,5%. По биологизированной технологии ее урожайность возросла на 2,8 т/га, или на 18,5%, по интенсивной – на 5,6 т/га, или на 37,7%, по высокоинтенсивной – на 7,4 т/га, или на 49,0%. При возделывании яровой тритикале по высокоинтенсивной технологии возрастал сбор с гектара сухого вещества до 4,62 т, обменной энергии – до 45,01 ГДж, кормовых единиц – до 3,56 тысяч и сырого протеина – до 0,54 т, по сравнению с экстенсивной технологией.

Существенное увеличение урожайности ячменя отмечено по интенсивной и высокоинтенсивной технологиям возделывания, по органической и биологизированной увеличение показателя было в виде тенденции. При возделывании ярового ячменя на зерно наибольшая урожайность, сбор энергии, кормовых единиц и протеина, как и в случае с тритикале, наблюдался при высокоинтенсивной технологии.

На урожайность зеленой массы кукурузы повлияли изучаемые технологии, в некоторых случаях достоверно (таблица 37). Так, если по экстенсивной технологии получено 53,4 т/га зеленой массы, то по органической технологии – 58,5 т/га, по биологизированной технологии – 82,6 т/га, по интенсивной технологии – 85,1 т/га. Самая высокая урожайность получена по высокоинтенсивной технологии, и она составила 102,6 т/га, что было существенно выше контроля. Наибольший сбор сухого вещества (18,00–19,01 т/га), обменной энергии (179,74–203,36 ГДж/га), кормовых единиц (14,50–17,68 тыс./га), сырого протеина (1,27–1,75 т/га) достигнуты при совместном применении органических и минеральных удобрений по биологизированной, интенсивной и высокоинтенсивной технологиям.

Таблица 37 – Продуктивность кукурузы и многолетних трав в севообороте

Урожайность многолетних трав первого года пользования по экстенсивной технологии составила 41,4 т/га. По другим изучаемым технологиям урожайность зеленой массы составила от 30,8 т/га до 54,8 т/га. По этим технологиям многолетние травы использовали питательные вещества из навоза, внесенного под кукурузу, что приводило к существенному увеличению урожайности по интенсивной и высокоинтенсивной технологиям возделывания. Урожайность зеленой массы многолетних трав второго года пользования была ниже (в среднем по технологиям она составила 34,4 т/га), чем урожайность трав первого года пользования (в среднем по технологиям 44,2 т/га). Поэтому у многолетних трав первого года пользования сбор кормовых единиц по технологиям составил 5,0–8,4 тыс./га, у многолетних трав второго года пользования – 4,5–6,8 тыс./га. Такая же закономерность прослеживается по сбору сухого вещества, обменной энергии и сырого протеина. Продуктивность многолетних трав третьего года пользования ниже трав первого и второго годов пользования из-за недобора третьего укоса и запашки зеленой массы второго укоса по органической технологии, при этом интенсивная и биологизированная технологии обеспечили существенную прибавку урожая зеленой массы в сравнении с контролем.

Таким образом, анализ продуктивности культур кормового севооборота на четвертый год действия факторов показывает заметный рост всех показателей, при этом использование экологических технологий возделывания – органической и, особенно, биологизированной зачастую приводит к высоким показателям продуктивности (например, вико-овсяной смеси и ячменя). Однако высокий фон питания, используемый на интенсивной, и особенно, высокоинтенсивной технологиях способствует достоверному повышению как продуктивности культур, так и сбору кормовых единиц и сырого протеина с 1 га.

2.2.6 Экономическая оценка органической технологии возделывания сельскохозяйственных культур в кормовом севообороте

Для оценки сравнительной эффективности возделывания сельскохозяйственных культур в кормовом севообороте нами проведены расчеты показателей экономической эффективности по следующим вариантам: экстенсивная технология возделывания кормовых культур (ЭК, К); интенсивная технология возделывания кормовых культур (ИТ) и органическая технология возделывания кормовых культур (О).

В приложении Г приведены производственные затраты по выращиванию сельскохозяйственных культур кормового севооборота, посчитанные на основе технологических карт их возделывания, с использованием вышеприведенных технологий.

В приложении Д представлена сравнительная экономическая эффективность выращивания каждой сельскохозяйственной культуры кормового севооборота по различным технология возделывания.

В разрезе отдельных культур кормового севооборота по органической технологии наибольшая экономическая эффективность по сравнению с контролем и интенсивной технологией наблюдается по однолетним травам (вико-овсяная смесь на зеленую массу) и ячменю на зерно.

Так, уровень рентабельности производства вико-овсяной смеси на зеленую массу по органической технологии составил 66,95%, что на 66,53 процентных пунктов выше, чем в контроле, и на 50,7% – по сравнению с интенсивной технологией. Более высокая экономическая эффективность выращивания вико-овсяной смеси по органической технологии обусловлена более высокой урожайностью (253 ц/га) и низкой себестоимостью 1 ц полученной продукции (91,2 руб./ц) по сравнению с экстенсивной (контроль) и интенсивной технологиями.

Уровень рентабельности производства ячменя на зерно по органической технологии составил 194,34%, что на 136,31 процентных пунктов выше по сравнению с контролем и на 92,63 процентных пунктов – по сравнению с интенсивной технологией. По данной технологии была получена боле высокая урожайность ячменя в ц к.ед. по сравнению с контролем (на 14,9%), но несколько ниже, чем по интенсивной технологии (на 14,5%). Возделывание ячменя на зерно по органической технологии (предшественник – яровая тритикале на зеленую массу, рапс поукосно на сидерат) требует меньше материальных и трудовых затрат, что сказалось на снижении себестоимости единицы продукции. Себестоимость 1 ц зерна ячменя составила 465,33 руб., что на 48,9% ниже, чем в контроле, и на 33,3% – по сравнению с интенсивной технологией.

Анализ полученных показателей экономической эффективности рассматриваемых технологий возделывания сельскохозяйственных культур кормового севооборота указывает на преимущества органической технологии по сравнению с экстенсивной и интенсивной технологиями.

Так, в целом по культурам севооборота по органической технологии (1) однолетние травы с подсевом многолетних трав (люцерна изменчивая + тимофеевка луговая + овсяница луговая); 2) многолетние травы 1 г.п.; 3) многолетние травы 2 г.п.; 4) многолетние травы 3 г.п.; 5) яровая тритикале на зеленую массу + поукосно рапс; 6) ячмень на зерно и 7) кукуруза на силос) получено на 5,14% больше продукции в кормовых единицах, чистого дохода – на 12,42%, по сравнению с контролем. Возделывание кормовых культур по органической технологии способствовало снижению себестоимости 1 ц к.ед. по сравнению с контролем на 7,5%, а по сравнению с интенсивной технологией – на 5,59% (таблица 38, рисунок 12), в связи с отсутствием в данной технологии затрат на минеральные удобрения и средства химической защиты.

Уровень рентабельности производства сельскохозяйственной продукции (в среднем по севообороту) по органической технологии составил 125,12%, что на 16,88 процентных пунктов выше, чем в контроле, и на 12,59 процентных пунктов – по сравнению с производством сельскохозяйственной продукции по интенсивной технологии (таблица 38, рисунок 13).

Таблица 38 – Экономическая эффективность производства кормовых культур при различных технологиях возделывания (в среднем по севообороту)

Рисунок 12 – Себестоимость производства 1 ц к. ед. при различных технологиях возделывания (в среднем по севообороту), руб.

Рисунок 13 – Уровень рентабельность производства сельскохозяйственных культур при различных технологиях возделывания (в среднем по севообороту), %

Таким образом, проведенные нами расчеты сравнительной экономической эффективности производства сельскохозяйственной продукции по органической технологии в сравнении с экстенсивной и интенсивной позволяет сделать вывод о ее эффективности и целесообразности использования для получения стабильного дохода от органического производства при наличии постоянных рынков сбыта и устойчивой ценовой политике.

При этом следует учитывать тот факт, что расчет стоимости валовой продукции проводился по одинаковым ценам, с одной стороны, потому что рынок органической продукции еще находится в стадии формирования, и с другой – чтобы оценить эффективность органической технологии при равных условиях продвижения на рынке получаемых продуктов (молоко, мясо). Вместе с тем следует учитывать, что получаемые органические продукты характеризуются более лучшими потребительскими качествами (вкус, безопасность для здоровья, нишевый продукт, экология), что делает их стоимость выше, чем у продуктов, произведенных по традиционным технологиям.

2.3 Заключение по разделу

Наиболее интенсивно разложение органического вещества происходило при выращивании пропашной культуры – кукурузы. Органическая (многолетние травы 2 года пользования) и биологизированная (однолетние травы) технологии возделывания при применении поверхностно-отвальной обработки почвы и внесении органического вещества в виде соломы или сидерата обусловливали накопление органического вещества в почве пахотного слоя.

Накоплению подвижного фосфора и обменного калия в пахотном горизонте способствует использование в технологии возделывания минеральных форм удобрений, причем количество данных элементов в почве увеличивается по мере роста вносимых норм удобрений. На вариантах с органической технологий возделывания накопление фосфора и калия носило форму тенденции.

Изменения кислотности почвы носят несущественный характер. Незначительное подкисление почвы наблюдалось при выращивании ячменя при сравнении культур севооборота. Снижение показателей кислотности почвы наблюдалось по всем изучаемым технологиям выращивания, особенно сильным оно было при высокоинтенсивной технологии выращивания, что можно связать с подкисляющим воздействием применявшихся агрохимикатов.

Наиболее высокие значения коэффициента структурности почвы пахотного слоя (0–20 см) наблюдались при возделывании многолетних трав 2 и 3 годов пользования по органической технологии – 3,21 и 3,27 соответственно. Органическая технология обеспечила набольший выход агрономически ценной фракции (71,25%)и наименьший – глыбистой (21,01%) и пылеватой (7,74%) фракций.

Средние значения плотности сложения почвы по изучаемым культурам свидетельствуют о снижении показателей при возделывании ячменя и кукурузы в сравнении с другими культурами севооборота. Набольшие значения плотности почвы (слой 0–10 см) были получены при возделывании многолетних трав 1 и 2 годов пользования на контрольном варианте 1,45 и 1,49 г/см³ соответственно. Органическая технология характеризовалась наименьшим варьированием значений плотности почвы (1,19–1,26 г/см³)в зависимости от выращиваемой культуры, которые не выходили за пределы оптимальных.

Наибольшие значения сопротивления пенетрации почвы получены при возделывании многолетних трав, что связано с отсутствием механической обработки. Применение интенсивной и органической технологии возделывания сельскохозяйственных культур обусловливало формирование значений на уровне контрольного варианта и ниже общих средних показателей.

Для создания благоприятных условий для распространения дождевых червей лучше подходят культуры – яровая тритикале и многолетние травы, при возделывании их по технологиям, обеспечивающим большее поступление органического вещества в почву.

Результаты учета численности хищных жужелиц в 2020 году в посевах кормовых культур, выращиваемых по различным технологиям, свидетельствуют о создании наиболее благоприятных условий для этих представителей полезной энтомофауны в посевах однолетних культур – ячменя, однолетних трав и кукурузы, причем в последнем случае – во второй половине вегетационного периода. Из изучаемых технологий возделывания интенсивные (с ежегодной отвальной обработкой и применением минеральных удобрений отдельно и с пестицидами) способствуют снижению численности жужелиц, тогда как отсутствие удобрений или применение органических удобрений приводит к повышению показателя на 7,1–12,4%.

Активизации разложения целлюлозы в большей степени способствует выращивание кукурузы и многолетних трав по высокоинтенсивной и, особенно, органической технологии.

Повышению показателя развития тест-культуры (снижению токсичности почвы) способствовало выращивание многолетних трав по контрольной и интенсивным технологиям, а ячменя – по органической. Выращивание многолетних трав обеспечивает улучшение питательного режима и более мощного развития проростка тест-культуры, однако всхожесть и длина корней имеют динамику увеличения при выращивании ячменя. Исключение из технологий возделывания пестицидов и минеральных удобрений способствует повышению показателей развития тест-культуры – снижению токсичности почвы, что особенно проявилось при органической технологии.

Использование экологических технологий возделывания кормовых культур, особенно органической, не способствовало ухудшению фитосанитарного потенциала, а зачастую приводило к его улучшению в посевах вико-овсяной смеси, кукурузы, многолетних трав первого и второго лет пользования. Применение интенсивных технологий положительно сказалось на снижении заболеваемости ячменя и многолетних трав 3 года пользования.

Многолетние травы, а также яровая тритикале проявили высокую конкурентоспособность по отношению к сорной растительности как по показателю численности, так и сухой массы. Невысокой конкурентной способностью обладали однолетние травы, особенно по отношению к малолетним видам, и ячмень, особенно по отношению к многолетним; в посеве кукурузы высокое обилие сорной растительности было связано в первую очередь с засоренностью междурядий. Изучаемые технологии способствовали снижению обилия сорных растений по сравнению с контролем, за исключением сухой массы малолетней группы сорняков. Наиболее эффективной оказалась органическая технология возделывания.

Культурами, в большей степени привлекающими насекомых-вредителей в 2020 году, были ячмень и особенно яровая тритикале, при наименьших значениях на кукурузе и многолетних травах. Высокий агрофон при высокоинтенсивной технологии способствовал увеличению численности насекомых по сравнению с контролем, на остальных изучаемых вариантах наблюдалось снижение показателя.

Анализ продуктивности культур кормового севооборота на четвертый год действия факторов показывает заметный рост всех показателей, при этом использование экологических технологий возделывания – органической и особенно биологизированной, зачастую приводит к высоким показателям продуктивности (например, вико-овсяной смеси и ячменя). Однако высокий фон питания, используемый на интенсивной и особенно высокоинтенсивной технологиях, способствует достоверному повышению как продуктивности культур, так и сбору кормовых единиц и сырого протеина с 1 га.

Экономическая оценка технологий производства культур кормового севооборота показала наибольшую эффективность органической технологии возделывая, которая характеризовалась наименьшей себестоимостью 1 ц к. ед. (533,04 руб.) и более высоким уровнем рентабельности производства (125,12%).

3 Влияние биопрепаратов на формирование биологических показателей плодородия почвы, фитосанитарного состояния посевов и урожайности культурных растений

3.1 Условия и методика проведения исследований

Исследования были проведены в 2019 году в полевом опыте кафедры агрономии ФГБОУ ВО Ярославская ГСХА в звене севооборота: зернобобовые (в 2019 году – соя (Glycinemax L.), сорт Светлая), пропашные (в 2019 году – амарант (Amaranthus L.), сорт Кинельский 254) и яровые зерновые (в 2019 году – гречиха (Fagopyrum esculentum Moench), сорт Калининская).

Опыт заложен методом расщепленных делянок с рендомизированным размещением вариантов в повторениях, повторность опыта трехкратная (приложение Е). Схема трехфакторного опыта: фактор А – группа культур (зернобобовые, в 2019 году – соя; пропашные, в 2019 году – амарант; яровые зерновые, в 2019 году – гречиха); фактор В – система основной обработки почвы (отвальная, поверхностная); фактор С – препарат (без препарата; препарат 1, в 2019 году – Байкал ЭМ-1; препарат 2, в 2019 году – Гумат калия). Почва – дерново-подзолистая глееватая среднесуглинистая. Площадь элементарной делянки 12 м², общая площадь опыта 648 м². В результатах приводятся данные по варианту поверхностной обработки почвы, в большей степени отвечающей требованиям органического земледелия как ресурсосберегающей системы.

Объектами исследований были препараты различного принципа действия: Байкал ЭМ-1 (производитель ООО «НПО ЭМ-ЦЕНТР»; 670000, Республика Бурятия, г. Улан-Удэ, ул. Кирова, 19, оф.201), содержащий микроорганизмы, и Гумат калия Сахалинский ВР 2,5% (изготовитель ООО «Биофит», 105082, г. Москва, Дегтярный пер., 5, стр.2), являющийся удобрением на основе солей гуминовых кислот с набором элементов питания.

Технологические приемы выполнялись: поверхностная обработка (дискование) – дисковым орудием; вспашка – плугом ПЛН-3-35; предпосевная культивация – культиватором КБМ-4,2; боронование – зубовой бороной БЗТС-1,0; посев – сеялкой СПУ-3, междурядные обработки – КПС-4. Минеральные удобрения и пестициды не применялись.

Использовались общепринятые в опытной сети методы исследований: активность разложения целлюлозы – по методу аппликации; численность дождевых червей (сем. Lumbricidae) – методом пробных площадок, жужелиц (сем. Carabidae) – ловушками Барбера; численность сорных растений – по методике Б. А. Смирнова; пораженность болезнями – по методике ВНИИЗР; всхожесть определяли отношением взошедших растений к числу высеянных семян (в %); высоту растений определяли промером на постоянных площадках; урожайность – поделяночным методом с пересчетом на стандартную влажность; статистическая обработка проводилась дисперсионным анализом (analysis of variance – ANOVA). Более подробно методика изложена в разделе 2.1.

3.2 Метеорологические условия в годы исследований

Погодные условия вегетационного периода 2019 года отличались повышенными температурными показателями в начале вегетации (май-июнь) и пониженными в конце (июль-август), при этом количество осадков существенно отличалось от среднемноголетних наблюдений в июле месяце – превышение составило 77% (таблица 39). В целом метеорологические условия можно охарактеризовать как нетипичные.

Таблица 39 – Метеорологические условия в период проведения исследований

3.3 Результаты исследований

3.3.1 Биологические показатели плодородия почвы

Из показателей, характеризующих энергию мобилизации почвенных процессов в целом, интерес для изучения представляет активность разложения целлюлозы в связи с тем, что характеристика изучаемого препарата Байкал ЭМ-1 включала активизацию полезной почвенной микрофлоры.

Результаты определения показателя свидетельствовали, что применение биопрепарата Байкал ЭМ-1 повышало активность почвенных микроорганизмов под посевом амаранта на 6,5%, гречихи – на 2,4%, лишь в посеве сои показатель снизился (на 6,5%), что, вероятно, связано со способностью сои как бобового растения самостоятельно создавать очаги активности почвенной микрофлоры в своей ризосфере (таблица 40).

Немаловажным показателем для плодородия почв, особенно дерново-подзолистых, характеризующихся низким естественным плодородием, является численность червей.

Положительный эффект по сравнению с вариантом без внесения препаратов применение Байкал ЭМ-1 был отмечен под посевом амаранта – численность червей увеличилась на 9,1%, гречихи – на 30,0%; Гумат калия был эффективен в посеве сои (показатель существенно превышал контроль на 49,9%) и гречихи, что говорит о создании благоприятных микробиологических и питательных условий для червей при использовании препаратов.

Таблица 40 – Биологические свойства почвы под посевами сельскохозяйственных культур

Другие представители полезной почвенной фауны – хищные жужелицы считаются биоиндикаторами экологического благополучия фитоценозов. В среднем за вегетацию культур было установлено, что применение препаратов Байкал ЭМ-1 и Гумат калия повышало количество жуков-жужелиц под посевами амаранта, соответственно на 19,6 и 15,5% и гречихи, соответственно, на 29,8 (существенное увеличение) и 0,8% в сравнении с контролем. Под посевом сои показатель при использовании препаратов снизился на 9,5% для Байкал ЭМ-1 и на 26,6% – для Гумата калия.

3.3.2 Фитосанитарное состояние посевов сельскохозяйственных
культур

Одним из методов поддержания благополучной фитосанитарной обстановки может служить применение сертифицированных биопрепаратов, повышающих устойчивость культурных растений к фитопатогенам и конкурентоспособность к сорным растениям за счет оздоровления почвенной микробиоты.

Учет распространенности и интенсивности заболеваний был проведен на сое и гречихе. Растения амаранта не проявили признаков каких-либо заболеваний (таблица 41).

Растения сои в небольшой степени подвергались воздействию фитопатогенов – были выявлены аскохитоз (возбудитель Ascochyta sojaecola Abramov) и септориоз (ржавая пятнистость) (возбудитель Septoria glycines Hemmi). Обращает на себя внимание факт положительного эффекта применения Байкала ЭМ-1 в сравнении с вариантом без него на снижение показателей интенсивности развития заболеваний – она снизилась на 4,0 и 0,3%, соответственно, по аскохитозу и септориозу, тогда как распространенность была одинакова (5–7%). Использование препарата Гумат калия, напротив увеличивало распространенность заболеваний (на 66,0–74,6%) при снижении их интенсивности (в 1,1–2,0 раза) в сравнении с контролем.

Таблица 41 – Фитосанитарное состояние посевов сельскохозяйственных культур

На гречихе были определены: аскохитоз (возбудитель Ascochyta fagopyri Bres.), бактериоз (возбудитель Pseudomonas syringae van Hali) и ложная мучнистая роса (пероноспороз) (возбудитель Peronospora fagopyri Elenev).

В целом можно отметить, что распространенность заболеваний гречихи не превышала 12%, а интенсивность – 6%. При этом использование биопрепарата Байкал ЭМ-1 снижало показатели развития болезней в сравнении с вариантами без его применения. Так, распространенность аскохитоза снизилась на 1,7%, его интенсивность – на 2,8%; показатели заболевания бактериозом, соответственно, на 1,7 и 0,2%, пероноспорозом – на 3,3 и 2%. На вариантах с использованием Гумата калия фитосанитарная обстановка была несколько хуже: распространенность аскохитоза была выше не только по сравнению с вариантом применения Байкал ЭМ-1 (на 41,0%), но и по сравнению с контролем (на 17,0%). Интенсивность бактериоза также была выше именно на вариантах применения препарата Гумат калия, в остальных случаях показатели развития заболеваний гречихи были ниже контроля.

Сорный компонент агрофитоценозов в высокой степени характеризует их фитосанитарный потенциал.

В нашем опыте общая численность сорных растений была значительно большей в посеве амаранта в связи с широкорядным его посевом, гречиха же способствовала наименьшей засоренности, что обусловлено ее быстрым ростом на начальных фазах развития и подавлением сорняков. Интересна закономерность снижения показателя общей численности сорных растений на вариантах применения препаратов в сравнении с вариантами без их применения – при использовании как Байкала ЭМ-1, так и Гумата калия показатель существенно снижался в посевах всех изучаемых культур. Так, в посеве сои снижение было на 51,6% на вариантах с Байкалом ЭМ-1 и на 24,6% на вариантах с Гуматом калия; в посеве амаранта, соответственно, на 69,3 и 37,0%; гречихи – на 43,5 и 23,9%, что является подтверждением повышения конкурентоспособности культурных растений по отношению к сорным за счет создания более благоприятных условий, однако эффект от улучшения микробиологического режима при внесении Байкала ЭМ-1 был выше, чем от оптимизации условий питания при использовании Гумата калия.

3.3.3 Показатели развития культурных растений и их урожайность

Благодаря созданию оптимальных условий показатели роста и развития культурных растений в течение вегетации в основном были выше при использовании препаратов (таблица 42).

Показатели развития сои были выше при использовании биопрепарата Байкал ЭМ-1 – всхожесть увеличилась на 15,6%, высота растений в начале вегетации – на 3,9%, в итоге урожайность зеленой массы характеризовалась прибавкой 8,5%, урожайность семян – на 7,9%. Применение Гумата калия не привело к положительному эффекту развития растений сои и ее урожайности в сравнении с контролем, что, возможно, связано с меньшей необходимостью улучшения условий питания для сои как культуры, способной к симбиотической азотфиксации.

Таблица 42 – Показатели развития культурных растений и их урожайность

На показатели роста и развития растений амаранта и гречихи изучаемые препараты имели положительный эффект, обеспечив в среднем прибавку всхожести амаранта на 3,8%, гречихи – на 5,0%, высоты растений – на 18,1 и 1,4% соответственно. В итоге препараты обусловили тенденцию повышения урожайности зеленой массы амаранта – Байкал ЭМ-1 на 24,6%, Гумат калия – на 5,9%, зеленой массы гречихи, соответственно, на 4,9 и 3,9%. Урожайность семян изучаемых культур также возрастала как при использовании Гумата калия (амаранта – на 5,5%, гречихи – на 30,7%), так и особенно Байкала ЭМ-1 (амаранта – на 24,2%, гречихи – на 32,5%).

3.3.4 Заключение по разделу

Использование препаратов, улучшающих микробиологический и питательный режимы, в целом оказало положительное влияние. Большим эффектом характеризовалось применение агроприема обработки посевного материала раствором биопрепарата Байкал ЭМ-1, это способствовало тенденции улучшения биологических свойств почвы, снижению вредоносности фитопатогенов, оптимизации условий роста и развития культурных растений, что в итоге обусловило получение прибавки урожайности семян выращиваемых культур в среднем на 21,5% и может быть подтверждением перспективности данного метода в технологиях возделывания сельскохозяйственных культур.

4 Использование биопрепаратов на ремонтантной малине в условиях ООО «Агропарк «Ясенево» Ярославской области

4.1 Условия и методика проведения исследований

Исследования проводили в 2020 году на территории ООО «Агропарк «Ясенево» Ярославской области.

Почва: дерновая среднесуглинистая глееватая. Агрохимическое обследование, проведенное в 2020 году, показало, что почва содержала органического вещества 5,67%, P₂O₅ – 241,0; K₂O – 153,8 мг/кг почвы, рН солевой вытяжки – 5,6.

Схема опыта:

Контроль – без биопрепаратов.

Байкал ЭМ-1 – опрыскивание по 10 мл/5 л на 2 куста, раз в 7–10 дней.

Органик-агро (паста+SR00) – мульчирующая паста (Fe, Mg, B и др. + бактерии) 200–300 г на 5 л, 0,5 л/куст корневая подкормка 1 раз в месяц + SR00 (макро- микро- удобрения, вытяжка из куриного помета) 250 мг/5 л (5%) некорневая подкормка – опрыскивание 1 раз в 7–10 дней.

Оргавит – внесение 30 г/куст 2 раза.

План опыта представлен в приложении Ж.

Метеорологические условия 2020 года представлены в разделе 2.1.

Использовались общепринятые в опытной сети методы исследований: численность сорных растений – по методике Б. А. Смирнова; биохимические исследования проводили на базе центра коллективного пользования «Агротехнологии» ФГБОУ ВО Ярославская ГСХА согласно «Методическим указаниям по определению химических веществ для оценки качества урожая овощных и плодовых культур» [126].

Содержание сахара, сухого вещества и титруемую кислотность ягод малины определяли, согласно методикам, изложенным в практикуме по агрохимии [127]. Анализ содержания аскорбиновой кислоты в ягодах малины проводился в соответствии с общими методами анализа [128].

Определение сопротивления пенетрации (твердости) почвы проводилось стрелочным пенетрометром 06.01.SA Eijkelkamp; математическая обработка данных проводилась дисперсионным анализом (Б. А. Доспехов) и с использованием программ Microsoft Excel, Statistica. Более подробно методика изложена в разделе 2.1.

4.2 Результаты исследований

4.2.1 Динамика сопротивления почвы в зависимости от
применяемых биопрепаратов

Сопротивление пенетрации почвы на посадках малины варьировало в пределах 90–500 кПа (рисунок 14). При этом можно отметить, что значение изучаемого показателя увеличивалось по мере погружения штока пенетрометра в почву.

Рисунок14 – Динамика сопротивления пенетрации почвы

Применение Органик-агро вело к незначительному сжижению твердости почвы в слое 0–50 см на 14 кПа по сравнению с контролем (рисунок 15). В свою очередь Байкал ЭМ-1 и Оргавит способствовали незначительному увеличению изучаемого показателя на 7 и 5 кПа соответственно.

Рисунок 15 – Изменение сопротивления пентрации почвы в зависимотси от биопрепарата

Распределение сопротивления пенетрации на различной глубине представлено на рисунке 16.

Применение Оргавит вело к увеличению сопротивления пенетрации почвы на глубине 10, 15 и 20 см на 73, 45 и 17 кПа соответственно и снижению на глубине 25, 30, 40, 45 и 50 см на 25, 12, 17, 28 и 18 кПа соответственно.

Использование Байкал ЭМ-1 способствовало увеличению твердости почвы на глубине 30–45 см относительно контрольного варианта.

Рисунок 16 – Сопротивление пенетрации почвы

Внесение Органик-агро вело к увеличению сопротивления пенетрации почвы в слое 5–15 см на 10–20 кПа и уменьшению в слое 20–40 см – на 22–58 кПа.

4.2.2 Численность сорных растений в посадках малины

Сорные растения в посадках малины при условии отсутствия химических средств защиты могут выступать как один из факторов, снижающих продуктивность культуры. Распределение сорных растений в зависимости от используемых биопрепаратов представлено на рисунке 17.

Полученные данные позволяют судить о несущественном влиянии биопрепаратов на общую численность многолетних сорных растений. При этом можно отметить общую тенденцию снижения их численности при применении биопрепаратов. Особенно это было заметно по отдельным видам сорных растений. В частности, использование Байкал ЭМ-1 способствовало снижению численности бодяка полевого на 52%. Аналогичные тенденции наблюдали и при применении Оргавит и Органик-агро.

Рисунок 17 – Распределение многолетних видов сорных растений в посадках малины

Использование Оргавит и Органик-агро вело к снижению численности манжетки мягкой на 33%.

Проведенные исследования установили незначительную долю малолетних видов в общей численности сорных растений в посадках малины (рисунок 18).

Рисунок 18 – Распределение малолетних видов сорных растений в посадках малины

Следует отметить, что на делянках с использованием Органик-агро малолетние сорные растения полностью отсутствовали. Использование Байкал ЭМ-1 вело к исчезновению мари белой и горца шероховатого и появлению мятлика лугового и подмаренника цепкого. Внесение Оргавит обусловливало снижение доли мари белой на 33%.

Таким образом, использование биопрепаратов способствовало изменению флористического состава и незначительному снижению сорной растительности в посадках малины.

4.2.3 Высота растений малины

В течение активного роста и развития малины (с 10.07.2020 по 11.08.2020) до сбора ягод были проведены измерения высоты растений (рисунок 19).

Рисунок 19 – Высота растений малины

Полученные данные свидетельствуют, что применение Байкал ЭМ-1 и Оргавит обусловливало незначительное снижение высоты растений малины на протяжении всего периода измерений (рисунок 20).

В свою очередь высота растений малины при использовании Органик-агро была на уровне контрольного варианта.

Рисунок 20 – Высота растений малины в зависимости от применяемых биопрепаратов

4.2.4 Химический состав ягод ремонтантной малины

Химический состав ягод – важный качественный показатель, обусловливающий их питательную ценность и вкус.

Содержание сухих веществ в плодах ремонтантной малины в зависимости от изучаемых вариантов составило от 14,74 до 15,10% (таблица 43). При этом Байкал ЭМ-1 и Органик-агро формировали показатели на уровне контрольных значений. Применение Оргавит вело к незначительному увеличению сухого вещества (на 0,36 п.п.), а Байкал ЭМ-1 – снижению на 0,27 п.п.

Таблица 43 – Биохимические показатели ягод малины

Наибольшая сумма сахаров (11,00%) была получена при применении Оргавит и Байкал ЭМ-1. Органик-агро также способствовал незначительному увеличению изучаемого показателя (на 0,30 п.п.).

Титруемая кислотность в ягодах малины варьировала от 0,50 на контроле и Оргавите до 0,63 на Байкал ЭМ-1 и Органик-агро.

По содержанию аскорбиновой кислоты наибольшие значения были получены при применении Байкал ЭМ-1 – 34,41 мг/100 г. Ораганик-агро и Орговит характеризовались значениями на уровне контрольного варианта.

4.2.5 Продуктивность малины

Данные по продуктивности малины свидетельствуют о незначительном увеличении продуктивности кустов малины при использовании биопрепаратов Байкал ЭМ-1 и Органик-агро (рисунок 21, таблица 44).

Рисунок 21 – Продуктивность малины в зависимости от биопрепаратов

Таблица 44 – Продуктивность малины

Использование Оргавит способствовало увеличению продуктивности малины на 12,4%, однако данные изменения также были в пределах ошибки опыта.

Таким образом, первый год использования биопрепаратов Байкал ЭМ-1, Органик-агро и Оргавит характеризовалось лишь тенденцией увеличения продуктивности малины.

4.3 Заключение по разделу

Применение биопрепарата Органик-агро на ремонтантной малине способствовало незначительному снижению сопротивления пенетрации почвы и численности сорных растений. Все изучаемые биопрепараты вели к увеличению сахаров в ягодах малины. Наибольшая продуктивность малины наблюдалась при использовании препарата Оргавит – 401,7 г/куст.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение органической технологии возделывания в семипольном кормовом севообороте, базирующейся на системе ресурсосберегающей поверхностно-отвальной обработки почвы и органических удобрениях (солома и сидераты), обусловливало оптимизацию показателей плодородия дерново-подзолистой почвы за счет: накопления органического вещества почвы; наибольшего выхода агрономически ценной фракции от 0,25 до 10 мм – 71,25% при снижении доли глыбистой и пылеватой до 21,01 и 7,74% соответственно; наименьшим варьированием значений плотности почвы (1,19–1,26 г/см³) в зависимости от выращиваемой культуры, которые не выходили за пределы оптимальных; формированию значений сопротивления пенетрации почвы на уровне контрольного варианта и ниже общих средних показателей.

Применение интенсивной и высокоинтенсивной технологии возделывания за счет использования минеральных форм удобрений обусловливало накопление подвижного фосфора и обменного калия в почве пахотного горизонта.

Наилучшие условия для распространения дождевых червей складываются в посевах яровой тритикале и многолетних трав при применении технологий, обеспечивающих поступление органического вещества в почву – интенсивная, высокоинтенсивная и, особенно, органическая.

Применение интенсивных технологий (с ежегодной отвальной обработкой и внесением минеральных удобрений отдельно и с пестицидами) способствуют снижению численности жужелиц и увеличению насекомых вредителей. Применение органической технологии обусловливало увеличение численности жужелиц по сравнению с интенсивной и высокоинтенсивной технологиями.

Выращивание кукурузы и многолетних трав по высокоинтенсивной и, особенно, органической технологии способствовало активизации деятельности целлюлозоразлагающих микроорганизмов.

Использование биологизированной, особенно органической технологий возделывания кормовых культур в посевах вико-овсяной смеси, кукурузы, многолетних трав первого и второго годов пользования не вело к ухудшению фитосанитарного потенциала, а зачастую приводило к его улучшению. Применение интенсивных технологий положительно сказалось на снижении заболеваемости ячменя и многолетних трав 3 года пользования.

Применение органической технологии обеспечивало повышение обилия почвенной фауны, активности микроорганизмов и снижение токсичности почвы.

Использование органической и, особенно, биологизированной технологий зачастую приводит к высоким показателям продуктивности кормовых культур (например, вико-овсяной смеси и ячменя). Однако высокий фон питания, используемый на интенсивной и, особенно, высокоинтенсивной технологиях способствует достоверному повышению как продуктивности культур, так и сбору кормовых единиц и сырого протеина с 1 га.

Экономическая оценка технологий производства культур кормового севооборота показала наибольшую эффективность органической технологии возделывая, которая характеризовалась наименьшей себестоимостью 1 ц к. ед. (533,04 руб. – снижение по сравнению с контролем на 7,5%, а по сравнению с интенсивной технологией – на 5,59%,) и более высоким уровнем рентабельности производства (125,12%, что на 16,88 п.п. выше, чем в контроле, и на 12,59 п.п. – по сравнению с производством сельскохозяйственной продукции по интенсивной технологии).

В звене полевого севооборота зернобобовые – пропашные – яровые зерновые обработка посевного материала раствором биопрепарата Байкал ЭМ-1 способствовало тенденции улучшения биологических свойств почвы, снижения вредоносности фитопатогенов, оптимизации условий роста и развития культурных растений, что в итоге обусловило получение прибавки урожайности семян выращиваемых культур в среднем на 21,5%.

Применение биопрепарата Органик-агро на ремонтантной малине способствовало незначительному снижению сопротивления пенетрации почвы и численности сорных растений. Все изучаемые биопрепараты вели к увеличению сахаров в ягодах малины. Наибольшая продуктивность малины наблюдалась при использовании препарата Оргавит – 401,7 г/куст.

Практическая и научная значимость проведенных исследований подтверждается актами внедрения в ООО «Агропарк «Ясенево» и ООО Племзавод «Родина» Ярославской области. По результатам проведенных научных исследований опубликовано 16 статей, в том числе 2 в международной базе данных Scopus, сделано 10 докладов на международных и всероссийских научных конференциях.

Отчет о выполнении НИР утвержден на научно-техническом совете ФГБОУ ВО Ярославская ГСХА (приложение И).

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Приложения

РЕФЕРАТ

Отчет 134 с., 1 кн., 3 раздела, 11 рис., 18 табл., 88 источ., 15 прил.

Перечень ключевых слов: безалкогольные напитки, сахарозаменитель, стевия, рецептура, технологические схемы, проекты технических условий, технология производства.

Настоящий отчет представляет собой законченную научную работу, подготовленную на основе лабораторных опытов и научных экспериментов по утвержденной Министерством сельского хозяйства Российской Федерации теме «Анализ мирового опыта развития индустрии безалкогольных напитков в части снижения содержания сахара в рецептуре (применение глюкозно-фруктозных сиропов, растительных заменителей (например стевии), сахарозаменителей и подсластителей).

Объекты исследования – безалкогольные напитки со сниженным содержанием сахара в рецептуре: холодный черный чай с растительным заменителем сахара, холодный зеленый чай с растительным заменителем сахара, квас с растительным заменителем сахара и морсовый напиток с растительным заменителем сахара.

Цель научно-исследовательской работы – анализ мирового опыты развития индустрии безалкогольных напитков в части снижения содержания сахара в рецептуре (применение глюкозно-фруктозных сиропов, растительных заменителей (например стевии), сахарозаменителей и подсластителей) и разработка рецептур безалкогольных напитков со сниженным содержанием сахара.

Методы исследовании: теоретические (анализ) и эмпирические (эксперименты, наблюдение, измерения, сравнение, описание). Для расчета рецептур был использован алгебраический метод. Для ускорения процесса расчета использован метод обратной матрицы табличного процессора Microsoft Excel. У всех объектов исследования были оценены органолептические и физико-химические показатели: массовая доля сухих веществ (%) – рефрактометрическим методом, кислотность – методом титрования, объемная доля этилового спирта (%) – дистилляционным методом. Определение содержания макро- и микроэлементов образцов проводилось на атомно-абсорбционном спектрометре КВАНТ-2а (Zn, Cu, Mn, Fe, Mg, Ca – методом абсорбции, K – методом эмиссии). Из микробиологических показателей были оценены БГКП, КМАФАнМ, дрожжи, плесени, токсикологических показателей – содержание солей тяжелых металлов, содержание органических кислот (яблочная, лимонная и янтарная).

Основные результаты исследований:

1. Проведен анализ мирового опыта развития индустрии безалкогольных напитков в части снижения содержания сахара в рецептуре (применение глюкозно-фруктозных сиропов, растительных заменителей (например стевии), сахарозаменителей и подсластителей), который позволил определить инновационный фактор развития – увеличение потребительского внимания к традиционным (национальным) напиткам. Россия испокон веков славилась сельскими территориями, национальными продуктами и напитками, имеющими функциональную направленность, укрепляющими и поддерживающими здоровье. Поэтому использование разработанных в ходе проведения научного исследования технологий и рецептур кваса, морса и чая с растительными заменителями сахара предприятиями пищевой промышленности будет способствовать возрождению национальных традиций пищевой культуры России.

2. Изучены: социально-культурная и социально-экономическая ценность безалкогольных напитков (вкусообразующих компонентов, сахара, глюкозно-фруктозных сиропов, растительных заменителей, сахарозаменителей и подсластителей); интенсивности сладости сахара, глюкозно-фруктозных сиропов, растительных заменителей, сахарозаменителей и подсластителей; влияние сахара, глюкозно-фруктозных сиропов, растительных заменителей, сахарозаменителей и подсластителей на физико-химические и органолептические показатели качества безалкогольных напитков.

3. Определено содержание макро- и микроэлементов, токсичных элементов в разработанных безалкогольных напитках и проведен микробиологический анализ в них.

4. Разработаны новые рецептуры, технологические схемы, проекты технических условий и технико-технологических карт производства функциональных безалкогольных напитков со сниженным содержанием сахара (приложения А–И). Использование рекомендованной нормативно-технической документации позволит производить данную категорию напитков в условиях промышленного производства (перерабатывающими предприятиями).

5. Дано обоснование норм употребления безалкогольных напитков, произведенных по разработанным рецептурам, для восполнения дневной нормы жидкости разных половозрастных групп населения.

Научная новизна полученных научных и научно-технических результатов – разработаны новые рецептуры, технологические схемы, проекты технических условий и технико-технологических карт производства функциональных безалкогольных напитков со сниженным содержанием сахара для предприятий пищевой промышленности. При употреблении разработанных безалкогольных напитков снижается калорийность ежедневного рациона различных половозрастных групп населения, что положительно скажется на их здоровье. В отличие от безалкогольных напитков, выпускаемых промышленностью, в напитках, приготовленных по разработанным технологиям и рецептурам, не содержится сахароза; сладость напиткам придают гликозидные соединения – стевиозид, стевиолбиозид, ребаудиозид А и Е, дулкозид.

Область применения результатов – сельскохозяйственные и перерабатывающие предприятия всех форм собственности, занимающиеся переработкой сельскохозяйственной продукции и производством безалкогольных напитков. Разработанные и рекомендованные проекты технических условий и технико-технологических карт содержат, полученные на основе лабораторных опытов, данные об органолептических, физико-химических показателях, токсичных элементах и микробиологических показателях, которые соответствуют требованиям, действующим на территории государства стандартов, что позволит производить данную категорию напитков в условиях промышленного производства (перерабатывающими предприятиями).

Результаты НИР внедрены в производство ООО «Агропарк «Ясенево» и ИП Глаголев А.С. (Ярославская область), ООО «Буфет-Ярославль» (г. Ярославль), что подтверждается актами внедрения (приложения К–М).

Уровень значимости НИР – всероссийский, так как холодный черный и зеленый чай из листьев ягодных кустарников, квас и морсовый напиток с древнейших времен являются одними из наиболее предпочитаемых национальных продуктов русского народа. Как неотъемлемый компонент национальной пищевой культуры Руси они и в наши дни приобретают все большую и большую популярность. Разнообразные секреты производства этих старинных напитков веками бережно сохранялись, обогащались и передавались из поколения в поколение. Значимость разработок по теме исследования подтверждается их признаем в конкурсах различного уровня. Разработка морсового напитка с натуральным заменителем сахара – стевией [Stevia rebaudiana BERTONI (L.)] удостоена диплома и золотой медали Всероссийского смотра-конкурса лучших пищевых продуктов, продовольственного сырья и инновационных разработок (г. Волгоград, 2019 г.); разработка «Безалкогольные напитки функционального назначения со сниженным содержанием сахара из экологического растительного сырья, выращенного в условиях Ярославской области, удостоена диплома победителя ежегодного смотра-конкурса проектов, основанных на использовании изобретений и разработок молодых ученых Ярославской области «Изобретено в Ярославской области» (г. Ярославль, 2019 г.); разработка «Квас с растительным заменителем сахара» удостоена диплома лауреата конкурса лучших научно-исследовательских работ в рамках XIII Международной научно-практической конференции молодых учёных и специалистов «Перспективные исследования и новые подходы к производству и переработке сельскохозяйственного сырья и продуктов питания» (г. Углич, 2019 г.).

Прогнозные предположения о развитии объекта исследования. Разработанные рецептуры, технологии и технологические схемы безалкогольных напитков со сниженным содержанием сахара возможно совершенствовать с целью производства органической продукции безалкогольной промышленности. Для этого применять сырье, полученное без использования синтетических пестицидов, минеральных удобрений и регуляторов роста. Разработать технологические схемы, содержащие щадящие режимы обработки сырья, исключающие высокотемпературную обработку, сильное механическое воздействие, обеспечивающие бережное сохранение питательных элементов и антиоксидантных веществ. Расширить объекты исследования, добавив продукцию животноводства, например, разработку рецептур, проектов технических условий и технологий на безалкогольные молочные напитки с растительным заменителем сахара.

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В настоящем отчете о НИР использовались следующие термины с соответствующими определениями:

Безалкогольный напиток – готовый напиток, изготовленный с использованием питьевой или минеральной воды с общей минерализацией не более 1,0 г/дм (ГОСТ 28188-2014 «Напитки безалкогольные. Общие технические условия»), объемной долей этилового спирта не более 0,5%, а для напитков на спиртосодержащем сырье – не более 1,2%

Безалкогольный напиток морсовый – безалкогольный напиток, изготовленный с использованием сока прямого отжима и (или) восстановленного и (или) спиртованного и (или) концентрированного сока и других компонентов, который может содержать подсластители, ароматизаторы и красители, полученные из сырья растительного или микробного происхождения

Квас – безалкогольный напиток с объемной долей этилового спирта не более 1,2%, изготовленный в результате незавершенного спиртового или спиртового и молочнокислого брожения сусла

Кислотная единица (к. ед.) – единица кислотности кваса, эквивалентная 1 см³ раствора гидроокиси натрия концентрацией 1 моль/дм³ на 100 см³ кваса

Колиформы – это грамотрицательные оксидазоотрицательные не образующие спор палочки, способные расти на дифференциальных лактозных средах, ферментирующие лактозу до кислоты, альдегида и газа

Напиток на растительном сырье – безалкогольный напиток, изготовленный с преобладающим использованием экстрактов, концентратов, настоев, композиций растительного сырья (растений, плодов, семян и др.) или концентрированных основ, в состав которых входят эти продукты, который может содержать подсластители, ароматизаторы и красители, полученные из сырья растительного или микробного происхождения

Напиток специального назначения – безалкогольный напиток, для которого установлены требования к содержанию и (или) соотношению отдельных веществ или всех веществ и компонентов, и (или) изменено содержание и (или) соотношение отдельных веществ относительно естественного их содержания в таком напитке, и (или) в состав включены не присутствующие изначально вещества или компоненты (кроме пищевых добавок и ароматизаторов), и (или) изготовитель заявляет о его лечебных и (или) профилактических свойствах, и который предназначен для целей безопасного употребления этого напитка отдельными категориями людей

Рецептура – это документ, в котором указан набор компонентов определенного состава и количества, необходимый для выработки единицы готовой продукции (1000 дкл, 1000 г, 1000 мл)

Энергетическая ценность – это количество энергии, высвобождаемой в организме человека из продуктов питания в процессе пищеварения, при условии её полного усвоения

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

1н NaOH – концентрация титрованного раствора едкого натра

а₁₁ .а₁₂… а₂₁, а₂₂… а_n1, а_n2 – коэффициенты, т.е. известные величины при переменных неизвестных величинах

А-матрица системы – матрица коэффициентов при переменных

b₁, b₂… b_n – свободные члены, т.е. известные величины

В-матрица – столбец свободных членов (вектор свободных членов)

р < 0,001 – стандартный уровень статистической значимости

X-матрица – столбец неизвестных величин

БГКП – бактерии группы кишечной палочки

ИП – индивидуальный предприниматель

к. ед. – единица кислотности кваса, эквивалентная 1 см³ раствора гидроокиси натрия концентрацией 1 моль/дм³ на 100 см³ кваса

КМАФАнМ – количество мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов

КМАэМ – количество мезофильных аэробных микроорганизмов

ООО – общество с ограниченной ответственностью

ВВЕДЕНИЕ

В соответствии с Концепцией государственной политики в области здорового питания, утвержденной правительством Российской Федерации, одно из важных направлений – это разработка новых технологий диетических пищевых продуктов как лечебных, так и профилактических. Во многих странах мира активно проводится поиск заменителей сахара, так как возникает острая необходимость оптимизации питания здоровых людей, а также возможность решения вопросов рационального питания людей, страдающих заболеваниями, связанных с нарушением обмена веществ.

Многочисленными научными исследованиями установлено, что сахар повышает риск возникновения ожирения, диабета, аллергии, сердечно-сосудистых заболеваний, кариеса у детей и другие. Некоторые ученые даже связывают потребление сахара с развитием болезни Альцгеймера и онкологических заболеваний.

В последнее время отмечается ухудшение состояния здоровья жителей не только Ярославского региона, но и других регионов Российской Федерации, что связано со снижением качества питания, в том числе и с высокой калорийностью рациона.

В ежедневном рационе населения страны, особенно молодежи, предпочтительными напитками являются напитки, которые характеризуются высоким содержанием сахара. Поэтому все более острой становится проблема снижения сахара в напитках, основными направлениями которой являются: применение глюкозно-фруктозных сиропов, растительных заменителей (например стевии), сахарозаменителей и подсластителей. При этом компоненты природного сырья должны способствовать повышению биологической ценности любого напитка.

Стевиозид – это натуральный низкокалорийный заменитель сахара, представляющий собой экстракт листьев южно-американского растения стевии – «медовой травы», который по сладости превосходит сахар в 200–300 раз. У здоровых людей этот подсластитель не понижает содержание сахара в крови. Поэтому врачи рекомендуют его как самый безопасный заменитель сахара [1].

Учеными из Красноярского государственного аграрного университета и института энергетики и управления энергетическими ресурсами АПК исследована возможность производства безалкогольного напитка без сахара с содержанием в рецептуре яблочного сока, экстракта имбиря, гвоздики, полыни, меда и воды. При этом выявлены способы достижения технического результата и его органолептические характеристики, проведено моделирование процесса переработки сырья мелкоплодных яблок и тонизирующих трав и производство безалкогольного яблочного напитка [2, 3].

Проведенные исследования на базе Федерального научного центра пищевых систем им. В.М. Горбатова и Всероссийского научно-исследовательского института пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности показали насколько в питании больных сахарным диабетом и здоровых людей перспективно использование напитков на основе натурального сырья. Применение научно обоснованного растительного сырья и легкой воды в составе напитков придает им целевую функциональную направленность [4]. Ученые Датской ветеринарной и продовольственной администрации так же отмечают важность научно обоснованного подхода к использованию растительных заменителей сахара и подсластителей в производстве безалкогольных напитков, отмечая немаловажную роль их суточного потребления [5, 6].

Таким образом, изучение возможности использования растительного сырья в качестве заменителя сахара при производстве безалкогольных напитков является актуальной темой, требующей дополнительной разработки и всестороннего исследования.

Цель научно-исследовательской работы – анализ мирового опыты развития индустрии безалкогольных напитков в части снижения содержания сахара в рецептуре (применение глюкозно-фруктозных сиропов, растительных заменителей (например стевии), сахарозаменителей и подсластителей) и разработка рецептур безалкогольных напитков со сниженным содержанием сахара.

Научная новизна полученных научных и научно-технических результатов – разработаны новые рецептуры, технологические схемы, проекты технических условий и технико-технологических карт производства функциональных безалкогольных напитков со сниженным содержанием сахара для предприятий пищевой промышленности. В отличие от безалкогольных напитков, выпускаемых промышленностью, в напитках, приготовленных по разработанным технологиям и рецептурам, не содержится сахароза; сладость напиткам придают гликозидные соединения – стевиозид, стевиолбиозид, ребаудиозид А и Е, дулкозид.

Практическая значимость научных исследований подтверждается актами внедрения в ООО «Агропарк «Ясенево» и ИП Глаголев А.С. (Ярославская область), ООО «Буфет-Ярославль» (г. Ярославль) (приложения К–М).

1 Материал и методы исследований

1.1 Цель и задачи исследований. Схема проведения исследований

Цель исследования – анализ мирового опыты развития индустрии безалкогольных напитков в части снижения содержания сахара в рецептуре (применение глюкозно-фруктозных сиропов, растительных заменителей (например стевии), сахарозаменителей и подсластителей) и разработка рецептур безалкогольных напитков со сниженным содержанием сахара.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1) изучить мировой опыт развития индустрии безалкогольных напитков в части снижения содержания сахара в рецептуре (применение глюкозно-фруктозных сиропов, растительных заменителей (например стевии), сахарозаменителей и подсластителей);

2) изучить интенсивность сладости сахара, глюкозно-фруктозных сиропов, растительных заменителей, сахарозаменителей и подсластителей;

3) разработать рецептуры безалкогольных напитков со сниженным содержанием сахара;

4) разработать технологические схемы производства безалкогольных напитков со сниженным содержанием сахара;

5) провести пробную выработку безалкогольных напитков со сниженным содержанием сахара;

6) провести определение органолептических и физико-химических показателей безалкогольных напитков со сниженным содержанием сахара;

7) провести определение содержания макро- и микроэлементов, токсичных элементов и микробиологических показателей у безалкогольных напитков со сниженным содержанием сахара;

8) разработать проекты технических условий и технологий (технико-технологических карт).

Схема проведения исследований представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема проведения исследования

1.2 Краткое описание места проведения исследования

Кафедра «Технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции» ФГБОУ ВО Ярославской ГСХА является выпускающей по направлению подготовки 35.03.07 «Технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции» (ранее кафедра «Биотехнология»). Материально-техническая база, необходимая для осуществления научно-исследовательской деятельности, включает аудитории для проведения лабораторных работ, укомплектованные необходимым оборудованием, предусмотрены помещения для хранения и профилактического обслуживания оборудования (приложение Н).

Анализы, требующие более высокоточного оборудования и использования опасных химических реактивов, запрещенных к использованию в условиях учебных аудиторий, проводились на базе ГБУ ЯО «Ярославский институт качества сырья и пищевых продуктов» и Ярославский НИИЖК – филиал ФНЦ «ВИК им. В.Р. Вильямса».

ООО «Агропарк «Ясенево» – уникальный авторский проект, реализуемый в Ярославской области в Некрасовском районе, работает в традициях органического земледелия, которое в России только начинает развиваться. Основными видами деятельности предприятия являются промышленное выращивание клубники, малины и производство чайной продукции.

ООО «Буфет-Ярославль» – это сеть пекарен «Хлебница». Предлагаемая ООО «Буфет-Ярославль» продукция изготавливается из натуральных продуктов без использования красителей, ароматизаторов, улучшителей, консервантов. Предприятие совмещает производство выпечки ручной работы по современным технологиям с производством натуральных морсов.

На базе ИП Глаголев, который располагается в г. Ростов Ярославской области и занимается реализацией продовольственной продукции, проведена совместная научно-исследовательская работа по разработке рецептуры и опытной партии производства зеленого и черного холодного чая с натуральным растительным сахарозаменителем.

1.3 Выбор и обоснование объектов исследования

Ученые отдела пищевых технологий (Mumbai, Индия) отмечают интерес к функциональным напиткам на основе молока, фруктов, овощей, бобовых, зерновых, кофе и чая [7]. Ученые сельскохозяйственного университета (Krakow, Польша) изучили традиции своей страны – применить традиционные технологии производства напитков на основе растительного сырья, полностью исчезнувшие из польского рынка. Было отмечено, что традиционный хлебный квас является функциональным напитком, имеет потребительские свойства аналогичные коммерческим квасам (напиткам, приготовленным из солодового концентрата), сниженное (в 3 раза) содержание сахара, что позволило рекомендовать его для потребления населению всех возрастов [8].

Ряд ученых отмечают ценность растительного сырья при производстве безалкогольных напитков функционального назначения. Цельные зерна изобилуют питательными веществами и биологически активными веществами, и это является научным доказательством того, что их регулярное употребление оказывает положительное влияние на здоровье человека [7]. Для многих стран безалкогольные напитки, прошедшие процесс брожения, являются традиционными, и в каждой стране имеются свои особенности производства. В Африке были зарегистрированы различные виды традиционных напитков, производимых из сорго, которые имеют большое значение в питании людей и фундаментальное социально-экономическое значение [9].

Ученые университета Abomey-Calavi (Cotonou, Бенин) в своих исследованиях отмечают, что традиционные напитки на время потеряли свои позиции на пищевом рынке, но не смотря на это, исчезновение многих активных синтетических веществ в составе пищевых продуктов привело к возобновлению интереса к естественным природным компонентам [9].

Продукты брожения являются одними из самых популярных в мире напитков с очевидным положительным влиянием на общее состояние здоровья. Они являются традиционными во всем мире натуральными напитками, с низким содержанием калорий и без жира, с органическими кислотами и витаминами (поступающими из растительного сырья) [10].

Ученые факультета биотехнологии и пищевых наук Словацкого сельскохозяйственного университета (Nitra, Словакия) доказали, что помимо пагубного влияния на здоровье людей, сахароза оказывает негативное влияние на органолептические и физико-химические показатели напитков брожения [11].

С древнейших времен квас, морс и чай из листьев ягодных кустарников являются одними из наиболее предпочитаемых национальных продуктов русского народа. Как неотъемлемый компонент национальной пищевой культуры Руси они приобретают все большую и большую популярность. Разнообразные секреты производства этих старинных напитков веками бережно сохранялись, обогащались и передавались из поколения в поколение [12].

Таким образом, к инновационному фактору развития мирового рынка прохладительных безалкогольных напитков можно отнести увеличение потребительского внимания к традиционным напиткам.

1.4 Условия постановки эксперимента

В соответствии с разработанной методикой первым этапом был проведен анализ мирового опыта развития индустрии безалкогольных напитков в части снижения содержания сахара в рецептуре (применение глюкозно-фруктозных сиропов, растительных заменителей (например стевии), сахарозаменителей и подсластителей). На основании проведенного анализа были определены объекты для совершенствования рецептуры, которыми явились чай из листьев ягодных кустарников, квас, морс, а в качестве растительного заменителя сахара – сухие листья стевии.

Далее были проведены исследования интенсивности сладости сахара и разных видов его заменителей оценкой сладких профилей сахара, глюкозно-фруктозных сиропов, растительных заменителей, сахарозаменителей и подсластителей на горьком вкусовом носителе (чай) группой экспертов, в которую входили как мужчины, так и женщины. При этом были проведены исследования по корректировке органолептических показателей разработанных рецептур с использованием дополнительных составляющих рецептурного набора (сухая трава мяты перечной, мелисы; лист смородины красной, черной и малины – сбор летнего периода 2018–2019 гг.) (приложение П).

Разработка рецептур объектов исследования с растительным заменителем сахара проводилась алгебраическим методом, с использованием табличного процессора Microsoft Excel.

Разработка технологических схем производства безалкогольных напитков со сниженным содержанием сахара проводили на основе полученных данных из собственных исследований об оптимальных технологических режимах, а также анализом, выбором и обоснованием типовых технологических схема производства.

Выработка пробных образцов объектов была проведена на основании разработанных рецептур и технологических схем на базе кафедры «Технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции» (этикетки пробных образцов – в приложении Р). У всех объектов исследования были оценены органолептические, физико-химические показатели, содержание макро- и микроэлементов, токсичные элементы и микробиологические показатели.

На основании полученных лабораторных данных разработаны проекты технических условий и технологий (технико-технологических карт).

1.5 Методы исследования

1. Определение интенсивности сладости

В настоящее время оценка степени сладости веществ в пищевой промышленности проводится экспертной комиссией, так как нет инструментального метода ее определения. Исследование интенсивности сладости проводили изучением в течение определенного промежутка времени восприятия сладких профилей сахара, глюкозно-фруктозных сиропов, растительных заменителей, сахарозаменителей и подсластителей на горьком вкусовом носителе (чай). Использована методика CATA интенсивности времени TI в течение 12-секундного интервала со шкалой интенсивности (6 градусов), оценка проводилась группой экспертов (15 женщин и 15 мужчин). Все образцы вкусовых носителей и сахарозаменителей доступны в продовольственных магазинах. При постановке опыта использована типовая технологическая схема чая, без ароматизаторов. Количество сахарозаменителя, добавляемого в безалкогольный напиток, соответствовало заявленному на его упаковке. Для освежения вкусовых рецепторов использовали питьевую воду [13].

2. Определение органолептических и физико-химических показателей безалкогольных напитков

Определение органолептических показателей проводили на базе ФГБОУ ВО Ярославская ГСХА по ГОСТ 6687.5-86 «Продукция безалкогольной промышленности. Методы определения органолептических показателей и объема продукции».

Физико-химические показатели (кислотность, объемная доля этилового спирта, массовая доля сухих веществ) были оценены на базе ФГБОУ ВО Ярославская ГСХА и ГБУ ЯО Ярославский государственный институт качества сырья и пищевых продуктов.

Отбор проб производили по ГОСТ 6687.0-86 «Продукция безалкогольной промышленности. Правила приемки и методы отбора».

Нормативными документами, регламентирующими объем лабораторных испытаний, явились ТР ТС 021/2011 Технический регламент Таможенного союза «О безопасности пищевых продуктов», ГОСТ 28188-2014 «Напитки безалкогольные», ГОСТ 31494-2012 «Квасы. Общие технические условия» [14–20].

3. Разработка рецептур безалкогольных напитков со сниженным содержанием сахара

Для расчета рецептур безалкогольных напитков был использован алгеб­раический метод, который заключается в решении отдельных уравнений или их системы [21].

В рецептурных расчетах пищевой промышленности уравнения составляются на основе материальных балансов. Первое уравнение составляют на основе баланса сырья, т.е. компонентов, и выработанного из него готового продукта (полуфабриката) (формула 1). Остальные уравнения составляются на основе основных составляющих отдельных компонентов и показателей, установленных нормативной документацией: массовая концентрация сахаров (формула 2), массовая концентрация титруемых кислот (формула 3), крепость купажа (формула 4) и т.д.:

(1)

где – содержание компонента в составе купажа, %;

(2)

где А – массовая концентрация сухих веществ, %;

а₁, а₂, а₃, а_n – массовая концентрация сухих веществ купажа, %;

(3)

где В – массовая концентрация титруемых кислот, г/дм³;

b₁, b₂, b₃, b_n – массовая концентрация титруемых кислот в компонентах купажа, г/дм³;

(4)

где С – крепость купажа, ;

с₁, с₂, с₃, с_n – содержание спирта а в компонентах купажа, .

Из полученных четырех уравнений составляем систему линейных уравнений (формула 5), в которую должно входить столько уравнений, сколько введено неизвестных компонентов в купаж.

(5)

Полученная система уравнений решается различными алгебраическими методами, например подстановкой неизвестных или их исключением (методом Гаусса), в результате чего находят значения неизвестных масс компонентов в смеси и составляют рецептуру в виде таблицы.

Алгебраический метод достаточно сложен и трудоемок, т.к. в состав купажей входит большое количество компонентов разного состава.

Решение системы уравнений позволит ускорить использование метода обратной матрицы с использованием табличного процессора Microsoft Excel.

Матрицей называется прямоугольная таблица из чисел, содержащая не­которое количество m строк и некоторое количество n столбцов.

Числа m и n называются порядками матрицы. В случае если m = n, матрица называется квадратной, а число m = n – ее порядком.

Числа, входящие в состав матрицы, называются ее элементами.

В частном случае матрица может состоять из одной строки или одного столбца и даже из одного элемента. Матрица, состоящая из одного столбца или одной строки, называется также вектором. Оба эти объекта (матрицы и векторы) в Excel рассматриваются как массивы.

Система m уравнений с n неизвестными представлена формулой 6:

(6)

где а₁₁ .а₁₂… а₂₁, а₂₂… а_n1, а_n2 – коэффициенты, т.е. известные величины при переменных неизвестных величинах;

b₁, b₂… b_n – свободные члены, т.е. известные величины.

В матричном виде данная система уравнений будет иметь следующий вид (формула 7):

(7)

где А – матрица системы (матрица коэффициентов при переменных);

X-матрица – столбец неизвестных величин;

В-матрица – столбец свободных членов (вектор свободных членов).

Для рассматриваемой системы уравнений составляют матрицу для ее членов.

Значение матриц данной системы уравнений будет иметь вид: матрица А системы или коэффициентов при переменных (формула 8), матрица – столбец неизвестных величин X (формула 9), матрица – столбец свободных членов (вектор свободных членов) В (формула 10):

(8)

(9)

(10)

Известно, что если квадратная матрица коэффициентов при переменных является невыраженной, то решением системы линейных уравнений методом обратной матрицы является матрица – столбец X (формула 11):

(11)

Для решения системы уравнений (формула 5) методом обратной матрицы, упростим их, избавившись от знаменателей (формула 12):

(12)

Значение матриц данной системы уравнений (формула 13) будет иметь вид: матрица М_к системы или коэффициентов при переменных (формула 14), матрица – столбец неизвестных величин М_х (формула 15), матрица – столбец свободных членов (вектор свободных членов) М_св (формула 16):

(13)

(14)

, (15)

(16)

Таким образом, решением системы четырех линейных уравнений (формула 5) методом обратной матрицы является матрица – столбец М_х (формула 17):

. (17)

Полученную матрицу заносят на лист MS Excel и составляется обратная матрица. Обратная матрица – это такая матрица, при умножении на которую исходная матрица дает в результате единичную матрицу (рисунок 2).

Рисунок 2 – Обратная матрица

Далее умножают обратную матрицу на вектор со значениями свойств готового безалкогольного напитка (рисунок 3).

Рисунок 3 – Умножение обратной матрицы на вектор

Полученные значения компонентов в рецептуре выражают в % от их общей суммы.

4. Определение содержания токсичных элементов и микробиологических показателей

Микробиологические (БГКП, КМАФАнМ, дрожжи, плесени), токсикологические (содержание солей тяжелых металлов) показатели и содержание органических кислот (яблочная, лимонная и янтарная) были оценены на базе ГБУ ЯО Ярославский государственный институт качества сырья и пищевых продуктов. Отбор проб производился по ГОСТ 6687.0-86 «Продукция безалкогольной промышленности. Правила приемки и методы отбора». Нормативным документом, регламентирующим объем лабораторных испытаний, явился ТР ТС 021/2011 Технический регламент Таможенного союза «О безопасности пищевых продуктов» [22–31].

5. Определение содержания макро- и микроэлементов

Определение содержания макро- и микроэлементов образцов проводилось на базе Ярославского НИИЖК – филиала ФНЦ «ВИК им. В.Р. Вильямса» на атомно-абсорбционном спектрометре КВАНТ-2а (Zn, Cu, Mn, Fe, Mg, Ca – методом абсорбции, K – методом эмиссии).

В исследованиях были использованы следующие методы:

ГОСТ 6687.0-86. Продукция безалкогольной промышленности. Правила приемки и методы отбора проб.

ГОСТ 6687.2-90. Продукция безалкогольной промышленности. Методы определения сухих веществ.

ГОСТ 6687.4-86. Напитки безалкогольные, квасы и сиропы. Метод определения кислотности.

ГОСТ 32037-2013. Напитки безалкогольные газированные и напитки из хлебного сырья. Метод определения двуокиси углерода.

ГОСТ 6687.7-88. Напитки безалкогольные и квасы. Метод определения спирта.

ГОСТ 26927-86. Сырье и продукты пищевые. Методы определения ртути.

ГОСТ 26929-94. Сырье и продукты пищевые. Подготовка проб. Минерализация для определения содержания токсичных элементов.

ГОСТ 26930-86. Сырье и продукты пищевые. Метод определения мышьяка.

ГОСТ 26932-86. Сырье и продукты пищевые. Методы определения свинца.

ГОСТ 26933-86. Сырье и продукты пищевые. Методы определения кадмия.

ГОСТ 30712-2001. Продукты безалкогольной промышленности. Методы микробиологического анализа.

2 Мировой опыт развития индустрии безалкогольных напитков в части снижения содержания сахара в рецептуре

2.1 Пищевая и биологическая ценность безалкогольных напитков. Значение безалкогольных напитков в питании человека

Пищевая ценность – это совокупность свойств продукции общественного питания, при наличии которых удовлетворяются физиологические потребности человека в необходимых веществах (белках, жирах, углеводах, витаминах, минеральных веществах) и энергии. Под биологической ценностью продукта понимают сбалансированное содержание в его составе биологически активных веществ (незаменимых аминокислот, полиненасыщенных жирных кислот, витаминов и минеральных веществ).

Первая бескаллорийная содовая вода No-Cal с использованием цикламата появилась в 1951 году – ее выпустили русские эмигранты Химан Кирш и его сын Моррис. В 1983 году Coca-Cola выпустила первую версию диетического напитка с использованием заменителя Nutra Sweet, сделанного на основе аспартама [32]. В настоящее время аспартам лидирует на этом рынке, в 2015 году производители использовали 18,5 млн т аспартама и только 9,7 млн т сахарина.

Квас обладает не только высокими вкусовыми качествами, но бодрит и нормализует обменные процессы в организме. По воздействию на организм он подобен кефиру, простокваше, кумысу и ацидофилину. Квас, как всякий продукт молочнокислого брожения, регулирует деятельность желудочно-кишечного тракта, препятствует размножению вредных и болезнетворных микробов, поднимает тонус организма, улучшает обмен веществ и благоприятно влияет на сердечно-сосудистую систему. Эти целебные свойства объясняются наличием в нем молочной кислоты, витаминов, свободных аминокислот, различных сахаров и микроэлементов. Не случайно рецептами русского кваса заинтересовались во многих странах Западной Европы. Многовековой опыт показал, что квас способствует сохранению здоровья и повышает работоспособность. При выполнении тяжелых работ – сенокос, пахота, заготовка дров – русский крестьянин брал с собой квас, считая, что он снимает усталость и восстанавливает силы. Это свойство кваса подтвердили многие ученые [12, 33 и др.].

Бактериологи, инфекционисты и врачи гигиенисты утверждают, что квас обладает бактерицидными свойствами. Если учесть, что наряду с микроэлементами в квасе содержится более 10 аминокислот и из них 8 незаменимых, то значение кваса становиться еще более весомым. Количество витаминов в квасе на первый взгляд не очень велико, но их регулярное поступление в организм дает ощутимый положительный эффект.

Квас имеет следующую пищевую ценность: калорийность 27 кКал, белки 0,2 г, углеводы 5,2 г, пищевые волокна 0,1 г, органические кислоты 0,3 г, вода 93,4 г, зола 0,2 г. Биологическая ценность кваса: крахмал 0,2 г, алкоголь 0,6 г, витамин PP 0,7 мг, витамин B1 (тиамин) 0,04 мг, витамин B2 (рибофлавин) 0,05 мг, витамин E (ТЭ) 0,2 мг, витамин PP (ниациновый эквивалент) 0,7 мг, моно- и дисахариды (сахара) 5 г.

Морсовые напитки, клюквенные и брусничные, часто используются в диетическом питании. Они содержат водорастворимые витамины, свободные органические кислоты, антоцианы, макро-, микро- и ультрамикроэлементы. Такого рода напитки всегда считались полезными для больных с высокой температурой.

По диетическим свойствам близки к морсовым напиткам плодовые и овощные коктейли. Пищевая ценность морсового напитка: калорийность 51 кКал, белки 1 г, углеводы 13,5 г, пищевые волокна 0,2 г, органические кислоты 0,2 г, вода 88,5 г, зола 0,02 г. Биологическая ценность кваса: крахмал 0,008 г, витамин С 0,5 мг, витамин PP 0,3 мг, витамин B2 (рибофлавин) 0,002 мг, витамин E (ТЭ) 0,08 мг, витамин PP (ниациновый эквивалент) 0,3 мг, моно- и дисахариды (сахара) 0,7 г [34, 35].

Ценные свойства холодному черному и зеленому чаю придают экстрактивные вещества, перешедшие в воду при заваривании из основного сырья. Листья ягодных кустарников богаты витаминами, минеральными и тонизирующими веществами. Действие чая на организм довольно разностороннее: он оказывает хорошее влияние на пищеварительные органы, на кровеносные сосуды и нервную систему, возбуждает работу сердца, усиливает местное кровообращение, повышает общее возбуждение организма и ведет к подкреплению сил. Пищевая ценность напитка: калорийность 36 кКал, углеводы 9,09 г, зола 0,12 г [34].

2.2 Социально-культурная и социально-экономическая ценность безалкогольных напитков

При этимологизации лексических единиц, входящих в тематическую группу «Названия безалкогольных напитков», экстралингвистические факторы достаточно часто имеют определяющее значение. Например, именно аргументы экстралингвистического характера играют существенную роль в определении истоков русского названия безалкогольных напитков, не имеющего общепризнанной этимологии.

Слово «морс» впервые зафиксировано в России в XVI в. В частности, в «Домострое» оно не просто упоминается, но и сопровождается одним из рецептов этого напитка. Современное значение слова выходит на первый план. Судя по всему, в XX в. (например, в словаре Д.Н. Ушакова: «Морс – прохладительный напиток, приготовленный из сока ягод или плодов»). Помимо русского, слово морс зафиксировано также в украинском и белорусском языках. Белорусское понятие «морс» – ягадны або фруктовы напiтак», украинское – «напiй iз соку ягiд» заимствованы из русского. В других славянских языках это слово отсутствует.

Относительно позднюю фиксацию слова, обозначающего столь «простой» продукт из природного сырья можно объяснить тем, что напитки, содержащие ягоды и плоды в качестве основного компонента, по-видимому, долгое время не занимали на столах славян значимое место, уступая напиткам на основе зерна (квас и др.) и меда [35].

Квас с древнейших времен является одним из наиболее предпочитаемых национальных продуктов русского народа. Рассказы и повести, подтверждающие пристрастия к этому освежающему напитку, до сих пор хранятся на полках домашних библиотек: «А в полдень бы по жбанчику холодного кваску» (Н. А. Некрасов «Кому на Руси жить хорошо»), «Пил, покряхтывая… – не квас, а царский напиток» (М.А. Алексеев «Ивушка неплакучая»). Как неотъемлемый компонент национальной пищевой культуры Руси, квас в наши дни приобретает все большую и большую популярность.

В древней Руси вместо чая заваривали кипрей (Иван-чай), пили квас и травяные сборы. Используемые сотни лет назад полезные и душистые листья ягодных кустарников, сегодня возвращают себе свою заслуженную популярность. Все больше людей, заботящихся о своем здоровье, предпочитают натуральные растительные напитки.

Неотъемлемым элементом нематериального культурного наследия являются гастрономические традиции народов, к которым относятся и технологии производства напитков. Традиции их производства имеют многовековую историю, которые формируют имидж территории, ее неповторимый образ, что и обуславливает социально-экономическую ценность безалкогольных напитков для туризма. Региональные традиции производства напитков представляют огромный интерес как для туристов, так и для организаторов туров, в виде гастрономических программ, а также дополнения к другим видам отдыха. В связи со структурными изменения туристического бизнеса, развитием направлений туризма, региональные власти возлагают большую надежду на доходность этого вида бизнеса при включении традиционных, национальных культурных мероприятий в туры [36, 37].

2.3 Требования к качеству безалкогольных напитков, в соответствии с действующими государственными и международными стандартами

Безалкогольные напитки изготовляют в соответствии с требованиями ГОСТ 28188-2014 Напитки безалкогольные. Общие технические условия по рецептурам и технологическим инструкциям, с соблюдением требований, действующих на территории государства, принявшего стандарт.

По органолептическим показателям безалкогольные напитки должны соответствовать требованиям, указанным в таблице 1.

По физико-химическим показателям безалкогольные напитки должны соответствовать требованиям, указанным в таблице 2.

Таблица 1 – Органолептические показатели безалкогольных напитков