Как вермикультура влияет на почву и урожай в мелких хозяйствах субгумидных тропиков

Удобрения на основе вермикультуры, такие как вермикомпост и его побочные продукты, например вермичай, приобретают всё большее значение как жизнеспособные альтернативные почвенные добавки. Это практически осуществимо, особенно в натуральном (потребительском) хозяйстве, путём замены обычных органических и синтетических ресурсов, которые зачастую дороги и недоступны фермерам. Однако эффективность вермичая как единственной добавки или в сочетании с другими ресурсами не была проверена в полевых условиях. Кроме того, его долгосрочное воздействие на почву и продуктивность сельскохозяйственных культур не было установлено.

Методы: Мы провели полевые исследования на фермерских полях для оценки влияния чистого вермичая (Vermi), в сочетании с другими органическими добавками (VermOrg) и с синтетическими удобрениями (VermInt), вносимыми при низкозатратных нормах, на свойства почвы и продуктивность сельскохозяйственных культур. Полевой эксперимент проводился в течение 8 лет в севообороте на основе трёхлетнего чередования кукурузы, зернобобовых и картофеля.

Результаты и обсуждение: Внесённые низкозатратные нормы приводили к истощению или поддержанию уровня питательных веществ в почве. Чистый вермичай дал значительно (p < 0,01) более высокий урожай зерна кукурузы в большинстве экспериментальных сезонов, тогда как VermInt показал значительно (p < 0,01) более высокий урожай клубней картофеля во все сезоны возделывания. Общие урожаи всех культур севооборота были низкими из-за внесения субоптимальных уровней ресурсов и недостаточного количества осадков, особенно в вегетационные периоды.

Заключение и рекомендации: Вермичай мог бы быть жизнеспособной альтернативой удобрению, но он не обеспечивает потенциал продуктивности почвы и культур при низкозатратных уровнях. Мы рекомендуем оптимальные нормы внесения вермичая, поскольку его производство быстрое и гибкое для масштабирования с целью повышения продуктивности сельскохозяйственных культур.

Продуктивность сельского хозяйства в мелких хозяйствах стран Африки к югу от Сахары (SSA) сталкивается с многочисленными проблемами, такими как деградированные почвы, изменчивость климата и низкокачественные внешние органические ресурсы (Jayne and Sanchez, 2021; Ofori et al., 2021; Bedeke, 2022; Omotoso et al., 2023). Это особенно характерно для субгумидных районов Центральной Кении (район исследования), которые отличаются практикой натурального (потребительского) земледелия с ограниченным использованием почвенных ресурсов и зависимым от дождей сельским хозяйством. Субоптимальное внесение ресурсов в этих районах объясняется высокой экономической и экологической стоимостью химических ресурсов, а также низким качеством и количеством биомассы в хозяйствах для производства органических мелиорантов (Khoshnevisan et al., 2021; Amede et al., 2023). Доступ к ресурсам и их поставка также остаются основными препятствиями в некоторых контекстах, главным образом из-за проблем инфраструктуры и финансовых ограничений. Даже в высокозатратных производственных системах доступность и качество органических ресурсов остаются препятствием для улучшения почвы и продуктивности урожая в SSA (Amede et al., 2023; Layek et al., 2023). Усугубляемые недостаточными и нерегулярными осадками и низким откликом почвы на удобрение, это приводит к низким урожаям (Liu et al., 2021; He et al., 2022; Mockeviciene et al., 2022).

Рост и отклик урожая на удобрение зависят от исходного статуса питательных веществ в почве и их доступности для поглощения растениями, особенно для почв с низким содержанием органического вещества. Для достижения достаточных урожаев на таких почвах необходимы органические мелиоранты, такие как компост и биоудобрения (Arosha and Letchuman, 2022). Однако применение таких ресурсов иногда ограничено из-за таких проблем, как недостаток биомассы и меньшее количество навоза для приготовления компоста. Это требует разнообразных подходов для смягчения этих узких мест путём продвижения экологически чистых, низкозатратных органических вмешательств и адаптации сельскохозяйственных технологий к соответствующему потенциалу легкодоступных органических вмешательств, адаптированных к целевым районам (Rostaei et al., 2024). Различные методы компостирования, например вермикомпостирование, доступны для использования фермерами как в низкопотенциальных, так и в высокопотенциальных сельскохозяйственных районах. Например, компост можно легко получить из навоза крупного рогатого скота, муниципальных и кухонных отходов (Kabasiita et al., 2022; Sultana et al., 2021). Некоторые из местно доступных и адаптируемых подходов, такие как обычное компостирование, которое включает складывание в кучи и микробное разложение биомассы, могут сопровождаться новыми методами компостирования, такими как компостирование с помощью чёрной львинки или дождевых червей (Anyega et al., 2021; Dada and Balogun, 2023; Nciizah et al., 2023; Manyanga et al., 2024).

Компостирование с помощью дождевых червей (обычно называемое вермикомпостированием) включает инокуляцию органических отходов культурой дождевых червей, производя богатый питательными веществами продукт, известный как вермикомпост или вермикаст (Dada and Balogun, 2023; Dada, 2024; Manyanga et al., 2024). Продукт собирают в твёрдой форме или растворяют в воде и собирают как червячный чай (также известный как вермивош, сок вермикультуры или чай) (Yeole, 2021; Chandukishore et al., 2023). Разведение дождевых червей (вермикультура) требует меньше места по сравнению с обычным компостированием и может использовать местно доступное органическое вещество, такое как кухонные отходы (Dada, 2024; Matheri et al., 2024). Вермикомпост и чай вермикультуры способны восстанавливать плодородие почвы (Huo et al., 2021; Edwards and Arancon, 2022), управлять вредителями и болезнями сельскохозяйственных культур (Chandukishore et al., 2023; Oyege and Balaji Bhaskar, 2023). Поэтому, как сообщили Márquez-Quiroz et al. (2014), чай/жидкий экстракт вермикультуры более экономичен и легче в сборе и применении по сравнению с твёрдой частью (вермикомпостом). Более того, сбор чая вермикультуры не требует удаления наполнителей, что позволяет быстрее регенерировать блоки вермикультуры, сохраняя субстрат и популяцию червей. Это делает использование чая практически и экономически осуществимым, особенно среди натуральных фермеров.

Существует ограниченное количество полевых исследований о влиянии вермикомпоста и чая вермикультуры на урожайность культур и плодородие почвы при внесении по нормам фермеров в долгосрочных экспериментах. Более того, большинство исследований сосредоточены на одной культуре (Deepthi et al., 2021; Yeole, 2021; Oyege and Balaji Bhaskar, 2024), оставляя в стороне севооборот, что важно в органическом земледелии. Кроме того, существует ограниченное знание о влиянии применения чая вермикультуры отдельно или в сочетании с другими почвенными ресурсами. Существующие исследования часто сосредоточены на оценке качества вермикомпоста, но не его влияния на почву и урожайность культур. Ограничение заслуживает внимания из-за отсутствия исследований, сосредоточенных на потенциале чая вермикультуры для повышения урожайности культур и, возможно, как устойчивого источника питательных веществ в Кении. Кроме того, существует необходимость оценить влияние использования чая вермикультуры в условиях натурального земледелия на плодородие почвы и урожайность культур. Поэтому мы оценили влияние чая вермикультуры как единственного ресурса по сравнению с его применением в сочетании с другими органическими и химическими ресурсами при уровнях внесения фермеров (низкозатратных) на свойства почвы и урожайность культур в севообороте в долгосрочном полевом эксперименте.

2.1 Описание участка

Мы проводили исследование в период с 2016 по 2023 год на фермерских полях, расположенных в Кианджугу в округе Муранга, Центральная Кения. Кианджугу — это район с низким сельскохозяйственным потенциалом, расположенный на высоте 1328 м над уровнем моря (0°53.40′ ю.ш., 37°15.40′ ю.ш.) в агроэкозоне верхнего среднего пояса (UM 3). Режим осадков на участке исследования бимодальный, со среднегодовым значением 722 мм в течение экспериментального периода. Сезон длинных дождей (LR) длится с марта по июнь, а коротких дождей (SR) — с октября по декабрь. Таким образом, в этом районе два сезона возделывания. Преобладающие почвы в Кианджугу — ортик-акрисоли (Jaetzold and Schmidt, 1983). Они умеренно кислые с относительно высоким содержанием марганца и железа и низким содержанием доступного P и органического углерода почвы (Mwangi et al., 2020) (Таблица 1).

Таблица 1  Средние исходные химические характеристики почвы фермерских полей до закладки эксперимента.

Текстура почв в этом районе характеризуется как песчаная глина согласно системе классификации почв USDA. Содержание песка составляет 522,50 ± 14,93, ила 87,50 ± 13,77 и глины 390,00 ± 13,54 (Таблица 2). Таким образом, содержание песка и глины указывает на умеренный дренаж и аэрацию, а также достаточную водоудерживающую способность. Почва также имеет катионообменную способность (CEC) 9,84 ± 0,29. Следовательно, почвы способны к умеренному удержанию питательных веществ.

Таблица 2  Текстура и катионообменная способность почв на экспериментальной территории.

Мы получили данные о ежедневных осадках от кооператива фермеров Киримири в пределах экспериментальной территории и вычислили количество осадков, полученных в течение сезонов и межсезоний (Таблица 3). Среднегодовое количество осадков в течение экспериментального периода составило 722 мм. За исключением сезона LR 2018 года, сезоны коротких дождей имели большее количество осадков по сравнению с сезонами длинных дождей (Таблица 3 и Рисунок 1). Кроме того, сезоны коротких дождей имели меньше дней (продолжительность сезона) и лучшее распределение осадков, чем сезоны длинных дождей. Наблюдения аналогичны исследованию Kiboi et al. (2023), которые проводили свои исследования в том же регионе.

Таблица 3  Общее количество осадков и продолжительность сезонов в экспериментальный период.

Рисунок 1  Кумулятивные количества осадков и их распределение в сезоны длинных дождей (a) и коротких дождей (b).

2.2 Закладка полевых опытов и приготовление чая вермикультуры

Мы реализовали опыты партисипаторных полевых исследований (POR) [часть проекта «Долгосрочные сравнительные испытания систем земледелия в тропиках» (https://systems-comparison.fibl.org/)] на полях десяти фермеров. Готовность фермера внедрять системы земледелия и наличие земли использовались в качестве критериев отбора. Схема опыта представляла собой рандомизированный полноблочный план, где каждая ферма фермера выступала в качестве блока, испытывая три подхода к почвенным мелиорантам: (i) чистый чай вермикультуры (Vermi), (ii) чай вермикультуры и другие органические мелиоранты (VermOrg) и (iii) чай вермикультуры и синтетические удобрения (VermInt) (Таблица 4). Чай вермикультуры — это новый источник устойчивых почвенных мелиорантов с потенциалом, особенно среди фермеров с ограниченными ресурсами. Это жидкий экстракт из вермикомпоста, который легче готовить и менее трудоёмок по сравнению с использованием вермикомпоста (биотвёрдого продукта вермикультуры). Каждая экспериментальная делянка имела размеры 5 м × 5 м.

Таблица 4  Описание экспериментальных систем земледелия на основе вермикультуры.

Все системы получали 45 кг N га−1 и 27 кг P га−1 за сезон для всех культур, кроме сезонов чистого посева фасоли и коровьего гороха (без внесения питательных веществ). Количества питательных веществ были основаны на практике фермеров в этом районе и обследовании, проведённом в регионе в рамках проекта (Musyoka, 2007). Большинство фермеров в странах Африки к югу от Сахары практикуют натуральное производство сельскохозяйственных культур. Обычная практика в регионе также включает отсутствие внесения внешних удобрений в сезоны зернобобовых. Поэтому поставка питательных веществ в сезоны возделывания зернобобовых зависит от их врождённой способности фиксировать азот и извлекать остаточные питательные вещества из почвы. В этих производственных системах субоптимальное внесение питательных веществ происходит из-за ограниченности ресурсов. Как правило, натуральные фермеры полагаются на богарное земледелие и не вносят питательные вещества в сезоны зернобобовых. Количество ресурсов было определено путём анализа содержания азота и фосфора перед сезоном. Это обеспечило равные количества поставки азота и фосфора во всех системах земледелия. Мы готовили чай вермикультуры путём разведения дождевых червей (Eisenia fetida sp.) в 100-литровых пластиковых полукорытах. Подстилка из навоза крупного рогатого скота добавлялась в корыта перед внесением сухого и зелёного материала. Червей регулярно кормили бытовыми отходами до готовности чая вермикультуры к сбору (примерно 3 месяца). Когда чай был готов, в корыта добавляли чистую воду, замачивая вермикомпост, перед наклоном корыта для сбора чая вермикультуры с одного конца (Matheri et al., 2024). Этот наклон производился за 1 неделю до сбора и применения чая вермикультуры. Мы готовили компост, используемый в системах земледелия VermOrg и VermInt, за 3 месяца до каждого сезона. Это делалось с использованием навоза крупного рогатого скота и местно доступной биомассы (сухие стебли кукурузы и Tithonia diversifolia) в каждом хозяйстве (Matheri et al., 2024, 2025). Каждый фермер готовил свою собственную компостную кучу для экспериментального использования и применения в своих хозяйствах в каждом сезоне. Это делалось путём компостирования в буртах в тени при стандартных практиках управления компостом.

Управление вредителями осуществлялось в соответствии с практиками управления соответствующих систем земледелия. Vermi и VermOrg использовали органические составы для управления вредителями, тогда как VermInt применял синтетические пестициды. Это делалось в соответствии с соответствующими практиками управления почвой, где Vermi и VermOrg исключительно использовали органические почвенные мелиоранты, в то время как VermInt использовал минеральные удобрения и, таким образом, обычную практику (Таблица 4).

Мы проводили эксперимент в течение шестнадцати (16) последовательных сезонов с 3-летним циклом севооборота. Севооборот включал совместный посев кукурузы и фасоли в сезоны длинных дождей (LR) для всех лет и чистые посевы коровьего гороха, фасоли и картофеля в сезоны коротких дождей (SR) первого, второго и третьего годов цикла севооборота соответственно (Таблица 5). Мы проводили эксперимент до 2023 года. Таким образом, последний цикл имел 2 года экспериментирования. В сезоны LR 2019 и 2022 годов произошла полная гибель урожая, что объясняется пониженным количеством осадков (Рисунок 1).

Таблица 5  Севооборот в низкозатратных системах земледелия на основе вермикультуры в период с 2016 по 2023 год.

2.3 Практики управления и измерение урожайности

Наш эксперимент был полностью богарным, имитируя обычную практику мелких фермеров в регионе. Подготовка земли проводилась единообразно с использованием ручной мотыги до начала дождей. В сезоны LR три семени кукурузы высевались в каждую посадочную лунку с интервалом 75 см × 60 см. Фасоль высевалась в междурядьях с интервалом 75 см × 30 см по 3 семени в лунку. Прореживание проводилось на стадии третьего листа для каждой культуры, оставляя два растения на лунку. Посадка картофеля проводилась на гребнях с интервалом 75 см × 30 см, в то время как чистые посевы коровьего гороха и фасоли высевались с интервалом 45 см × 20 см в посадочные лунки. Подсадка проводилась через 1 неделю после появления всходов в случаях, когда наблюдалось менее двух растений на лунку.

В системе вермикультуры посадка проводилась без ресурсов, а чай вермикультуры вносился в два приёма: на стадии трёх листьев и вегетативной стадии для каждой культуры в сезоны, требующие внесения. Внесение чая в соответствующие делянки включало растворение собранного чая в 5 литрах воды. Внесение чая вермикультуры проводилось путём внесения в почву, когда почва была достаточно увлажнена в дождливые периоды. С другой стороны, системы VermOrg включали внесение компоста и фосфатной породы при посадке и подкормку измельчённой титонией и чаем вермикультуры. Система VermInt включала посадку с компостом и DAP в сезоны совместного посева кукурузы и фасоли и TSP в сезон картофеля. Все эти ресурсы вносились непосредственно в почву в день посадки. Подкормка проводилась путём внесения чая вермикультуры на вегетативной стадии (физико-химические свойства чая вермикультуры и других органических ресурсов, использованных в этом исследовании; Дополнительные таблицы A1 и A2). Прополка проводилась дважды за сезон на всех опытных делянках. Управление вредителями осуществлялось с использованием биопестицидов и синтетических пестицидов после регулярного обследования в соответствующих системах.

При созревании урожая уборка проводилась индивидуально на каждой опытной делянке. Влажность зерна (кукурузы и фасоли) определялась с помощью влагомера зерна (PM-600), а сухой вес выражался в мегаграммах (Mg) на гектар при 13% влажности. В течение всего периода испытаний наблюдалась полная гибель урожая коровьего гороха; таким образом, результаты не показаны. Это было вызвано главным образом высоким количеством осадков в начале сезона, приводящим к полеганию. Более того, в большинстве сезонов частые засушливые периоды совпадали со стадией цветения, приводя к абортации цветков и, следовательно, к потере урожая. Вес клубней картофеля регистрировался на делянку при созревании урожая и экстраполировался в мегаграммы (Mg) на гектар.

2.4 Отбор почвенных образцов и лабораторный анализ

Мы собирали почвенные образцы в конце каждого цикла севооборота: второго сезона 2019, 2021 и 2023 годов, используя бур Эдельмана с каждой экспериментальной делянки на глубине 0 см – 20 см. Случайный отбор образцов проводился из пяти точек на каждой делянке и объединялся в один образец перед подвыборкой. Почвенные образцы помещались в маркированные мешки из хаки и транспортировались в Национальные сельскохозяйственные исследовательские лаборатории (NARL) для анализа. pH почвы измерялся с помощью pH-метра из предварительно разбавленных образцов (соотношение почва-вода 1:1). Содержание общего азота (Total N) определялось методом Кьельдаля. Калий (K) экстрагировался ацетатом аммония перед пламенной фотометрией. Общий органический углерод (Org C) определялся с использованием модифицированного метода Уокли и Блэка (Walkley and Black, 1934). С другой стороны, обменные катионы, включая магний (Mg) и кальций (Ca), экстрагировались с использованием 1 M ацетата аммония, буферизованного при pH 7 (Chapman, 1965). Концентрации фильтрованных катионов определялись с использованием атомно-абсорбционной спектрофотометрии. Экстрагируемый марганец (Mn), медь (Cu) и железо (Fe) экстрагировались с использованием 0,005 M DTPA (диэтилентриаминпентауксусная кислота), буферизованного при pH 7,3. Концентрации определялись с использованием атомно-абсорбционной спектрофотометрии (Lindsay and Norvell, 1978).

2.5 Статистический анализ данных

Мы проводили анализ данных с использованием статистического программного обеспечения R версии 4.2.1 (R Core Team, 2022). Мы удаляли выбросы из каждого набора данных путём проверки межквартильного размаха (IQR), исключая значения за пределами 1,5-кратного IQR от первого и третьего квартилей. Мы проверяли нормальность и гетероскедастичность каждой переменной почвы и урожайности с использованием тестов Шапиро-Уилка и Левена соответственно с помощью функции shapiro.test пакета (Fox and Weisberg, 2019) перед логарифмической трансформацией для данных, которые не были нормально распределены. Мы использовали линейные смешанные модели (LMM) с помощью функции lmer пакета lme4 (Bates et al., 2015). Здесь системы на основе вермикультуры (Vermi, VermiOrg, VermiInt) использовались в качестве фиксированного эффекта, а блок (поле каждого фермера) — в качестве случайного эффекта. Тесты Вальда типа II хи-квадрат в функции Anova из пакета car (Fox et al., 2013) использовались для проверки значимости эффекта системы. Там, где были значительные различия, мы использовали оценочные маргинальные средние (EMMs) в пакете emmeans (Lenth, 2017) для проведения апостериорных сравнений. Множественные сравнения, с другой стороны, корректировались методом Бонферрони (Shi et al., 2012).

3.1 Отклик свойств почвы на системы на основе вермикультуры

В конце первого цикла севооборота (2019) мы наблюдали значительные различия в уровнях фосфора, Ca, Mg, Mn и Cu среди систем (Таблица 6). Значительно более высокие концентрации P, Ca и Cu были в системе VermOrg. Уровни Mg и Mn были значительно выше в системах Vermi и VermiOrg, чем в системе VermInt. pH, общий N, Fe и OC существенно не различались среди систем.

Таблица 6  Свойства почвы в конце каждого года севооборота при различных системах на основе вермикультуры.

Средние значения, сопровождаемые одинаковыми надстрочными буквами в одном столбце, обозначают отсутствие значительной разницы между средними значениями систем в цикле севооборота. Тест Тьюки HSD (α = 0,05).

В 2021 году уровни общего N и Mg были схожими в VermInt и VermOrg, причём эти две системы показали значительно более высокие количества, чем Vermi. Не было различий в общем N среди систем земледелия в другие годы севооборота. С другой стороны, уровни P были значительно выше в VermInt по сравнению с другими системами. Уровни Mn и Fe также показали значительные различия среди систем земледелия. Эти элементы были наивысшими в VermInt. Уровни pH почвы и org C были схожими среди систем. Напротив, уровни Ca были значительно выше в VermOrg по сравнению с другими системами.

Концентрации P и Ca в 2023 году значительно различались среди трёх систем, с наивысшими уровнями, наблюдаемыми в VermOrg. Примечательно, что уровни Fe были значительно выше в системе Vermi по сравнению с другими системами. Не было значительных различий в pH, общем N, org C, Mg и Mn среди других времён отбора проб, 2019 и 2021 годов. В целом, уровни фосфора были самыми низкими в системе Vermi в 2019 и 2023 годах во все годы, хотя уровни в VermOrg были аналогично низкими.

В целом, система VermOrg имела значительно более высокие уровни Ca и Cu в течение всех циклов севооборота. pH и OC не показали значительной разницы среди всех систем во все годы отбора проб.

3.2 Отклик урожайности зерна кукурузы на почвенные мелиоранты систем на основе вермикультуры

Урожайность зерна кукурузы варьировалась по сезонам в течение 8-летнего периода испытаний и была очень низкой (Таблица 7). Система Vermi имела значительно более высокую урожайность зерна кукурузы в сезоны LR16, LR17, LR20 и LR21, чем другие системы. В LR18, который показал существенно более высокое количество осадков [700 мм по сравнению с ≤ 407 мм в другие сезоны (Таблица 3)], не было значительных различий в урожайности кукурузы среди систем, хотя урожайность в Vermi оставалась высокой. Примечательно, что система показала увеличение урожайности с 0,59 Mg га−1 в LR16, 0,60 Mg га−1 в LR17, 2,06 Mg га−1 в LR18, но урожайность снизилась до 0,43 Mg га−1 в LR20 и LR21 и снова увеличилась в LR23 (Таблица 7).

Таблица 7  Урожайность зерна кукурузы среди систем на основе вермикультуры в различные сезоны длинных дождей.

Одинаковые надстрочные буквы в одном столбце обозначают отсутствие значительной разницы между средними значениями систем в цикле севооборота. Тест Тьюки HSD (α = 0,05).

3.3 Влияние мелиорантов на основе вермикультуры на урожайность зерна фасоли

Системы Vermi и VermInt имели значительно более высокую урожайность зерна фасоли как совместной культуры в сезоны LR16, LR20 и LR23 по сравнению с VermiOrg. Однако не было урожая обыкновенной фасоли при совместном посеве в сезоны LR17, LR18, LR19, LR21 и LR22. Это было вызвано главным образом более высоким количеством осадков в начале сезона (Рисунок 1), что привело к полеганию культуры фасоли и последующей гибели урожая. В сезоны монокультуры фасоли VermInt дал значительно более высокую урожайность зерна в SR18 (1,25 Mg га−1), в то время как Vermi показал наивысшую урожайность в SR23 (0,31 Mg га−1). Примечательно, что общая урожайность монокультуры фасоли была выше в SR18 (1,04 Mg га−1-1,25 Mg га−1) по сравнению с SR23 (0,23 Mg га−1-0,31 Mg га−1) (Таблица 8).

Таблица 8  Урожайность обыкновенных зернобобовых (фасоли) в сезоны длинных дождей (совместный посев) и коротких дождей (монокультура) в течение экспериментального периода.

3.4 Влияние почвенных мелиорантов на основе вермикультуры на урожайность клубней картофеля

Для клубней картофеля мы наблюдали значительные различия среди систем земледелия во все сезоны испытаний (Таблица 9). Урожайность клубней картофеля была значительно выше в VermiInt по сравнению с другими системами во все сезоны испытаний, за исключением SR19, где она имела схожую урожайность с системой Vermi. Примечательно, что наблюдалось снижение урожайности с SR16 по SR21 (Таблица 9).

Таблица 9  Урожайность клубней картофеля в сезоны коротких дождей 2016, 2019 и 2021 годов.

4.1 Отклик свойств почвы на системы на основе вермикультуры

Мы объяснили лучшие уровни кальция и магния в системе VermOrg органическими ресурсами (компост, титония), которые богаты катионами, образующими основания, как также сообщили Melero et al. (2007) и Kiboi et al. (2020a,b). В своём долгосрочном применении компоста, приготовленного на ферме, Bedada et al. (2016) также наблюдали улучшенный статус питательных веществ почвы для уровней Ca и Mg. Согласно (Bougnom et al., 2011), компост содержит более высокие количества кальция и магния, полученных из древесной золы и навоза крупного рогатого скота, которые используются при его приготовлении. Кальций способствует флокуляции почвенных частиц, улучшая агрегацию почвы и стабилизируя pH (Wuddivira and Camps-Roach, 2007; Rowley et al., 2018; Zhu et al., 2019). Система VermiOrg также имела лучшие уровни P (кроме второго цикла) по сравнению с другими системами. Omenda et al. (2021) обнаружили улучшение P в почвах с аналогичным pH при использовании органических ресурсов (навоз и титония) в регионе Центрального нагорья Кении. Общий азот был в целом схожим среди систем земледелия. Динамика почвенного азота зависит от норм внесения и климатических условий. Низкие нормы внесения обычно приводят к извлечению азота культурами из-за недостаточной поставки. Это можно объяснить отсутствием различий среди систем земледелия. Более того, частые засушливые периоды в течение экспериментального периода также могли быть причиной низких уровней азота и отсутствия существенных различий среди систем земледелия. Из-за низкого содержания почвенной влаги и высыхания, что вызывает нарушение образования клубеньков (Kiboi et al., 2019a).

За исключением pH и OC, мы наблюдали значительные различия в определённых свойствах почвы среди систем в конце второго цикла севооборота. Вариация указывала на небольшой отклик почв на различные внесённые ресурсы. Общие значительно более высокие уровни питательных веществ в почве в системе VermInt указывают на временную синергию органических и синтетических ресурсов в поддержании плодородия почвы и поддержании роста культур (Wei et al., 2016; Brunetti et al., 2019; Iqbal et al., 2022). В отличие от второго цикла, в конце третьего цикла севооборота в основном не было различий в химических свойствах почвы среди систем.

Несмотря на несколько исследований (Li et al., 2023; Sofo et al., 2023; Zhou Bo et al., 2017), показывающих, что продукты вермикультуры улучшают органическое вещество почвы, мы наблюдали постоянное снижение OC среди систем в течение всего периода испытаний. Это также было в случае системы земледелия VermOrg, которая включала дополнительный навоз крупного рогатого скота (в виде компоста). Cai et al. (2019) и Ayilara et al. (2020) сообщили о более высоком количестве органического углерода в навозе крупного рогатого скота по сравнению с чаем вермикультуры, но мы не наблюдали различий в наших испытаниях. Кроме того, другие органические ресурсы также были описаны как ключевые в накоплении OC (Chivenge et al., 2011; Berti et al., 2016; Omenda et al., 2019), чего не было в нашем исследовании. Мы объяснили это количеством (низкие нормы внесения ресурсов) и качеством использованных ресурсов. Низкое качество, а также количества органических ресурсов, например навоза, компоста, широко описывались как основная проблема для систем органического земледелия в тропиках (Chivenge et al., 2009; Matheri et al., 2025). Низкие уровни внесения, широко применяемые натуральными фермерами, могут в лучшем случае поддерживать питательные вещества почвы, а не улучшать их. Однако в большинстве случаев такие практики описывались как извлечение питательных веществ из почвы и снижение органического вещества (da Silva Fraga and Salcedo, 2004; Gali et al., 2024). Это подтверждает непрерывное извлечение питательных веществ из-за ограниченного использования (не оптимального) ресурсов, повышающих плодородие почвы, фермерами в регионе исследования (Mucheru-Muna et al., 2014; Kiboi et al., 2019b).

4.2 Отклик урожайности зерна кукурузы на почвенные мелиоранты систем на основе вермикультуры

Стабильно лучшая урожайность кукурузы в системе Vermi в сезоны с низким и умеренным количеством осадков указывает на то, что этот метод удобрения может быть эффективным в богарном земледелии, что типично для фермеров стран Африки к югу от Сахары. Мы объяснили лучшую производительность в системе Vermi критическим временем внесения (стадии трёх листьев и вегетативная стадия), что могло совпасть с потребностями культур в питательных веществах. Кроме того, внесение ресурса в виде чая улучшило высвобождение и поглощение питательных веществ культурой. Как сообщают различные исследования, внесение органических ресурсов в виде чая/жидкости улучшает доступность питательных веществ для культуры (Asadu et al., 2024; Chandan et al., 2024). Внесённый в почву, чай просачивается вниз к корням, позволяя питательным веществам использоваться растениями и микробным сообществом ризосферы, вызывая улучшенный рост растений (Li et al., 2023; Sofo et al., 2023; Zhou Bo et al., 2017). Аналогично нашим находкам, (Wu et al., 2012) сообщили об эффективном производстве кукурузы, (Ansari and Sukhraj, 2010) обнаружили значительное увеличение бамии, в то время как Ansari (2008) сообщил об увеличении урожайности шпината, картофеля и репы в вариантах с использованием вермивоша и вермикомпоста. Мы объяснили производительность VermiInt внесением удобрений с легко доступными питательными веществами, что ограничивает рост кукурузы, требующей более длительных периодов роста. Компост и навоз известны как медленно высвобождающие удобрения (Kiboi et al., 2020a,b; Asadu et al., 2024), что ограничивает производительность системы VermiOrg. Кроме того, недостаточная влага из-за низкого количества осадков привела к плохой минерализации навоза (Reimer et al., 2023; Saha et al., 2023). В целом, урожайность кукурузы была слишком низкой в течение всего периода испытаний по сравнению с потенциалом региона 6 Mg га−1-8 Mg га−1 (Kiboi et al., 2019b) из-за применённых низких норм внесения и недостаточного количества осадков.

4.3 Влияние почвенных мелиорантов на основе вермикультуры на урожайность зерна фасоли

Стабильно более низкая урожайность зерна фасоли при совместном посеве в сезоны LR16 и LR20 была обусловлена конкуренцией за питательные вещества со стороны кукурузы и усугублялась низкими использованными уровнями внесения. Согласно (Hauggaard-nielsen et al., 2008), конкуренция за питательные вещества может привести к существенному снижению урожайности культур в системах совместного посева. Кукуруза имеет конкурентное преимущество, поскольку её корни занимают как поверхностные, так и более глубокие слои почвы, обеспечивая превосходную способность извлекать почвенный N, тогда как корневые системы зернобобовых меньше и ограничены верхним слоем почвы (Hauggaard-nielsen et al., 2008). Кроме того, затенение от кукурузы ограничивает фотосинтез фасоли из-за ограниченного проникновения света. При монокультуре системы Vermi и VermInt, вероятно, обеспечивали немедленную, сбалансированную поставку питательных веществ, таким образом поддерживая рост фасоли. Смешанная динамика в сезоны монокультуры фасоли SR18 и SR23, вероятно, является сезонным влиянием на продуктивность урожая. Это отражает среднесрочные и долгосрочные последствия внесения ресурсов в натуральных системах земледелия, приводящие к общим различиям, но более низким урожаям, вызванным низким удобрением почвы (Bennett et al., 2012; Kiboi et al., 2020a,b; Riar et al., 2024).

4.4 Влияние почвенных мелиорантов на основе вермикультуры на урожайность клубней картофеля

Урожайность картофеля была значительно выше в VermInt по сравнению с другими системами в течение периода экспериментирования. Это указывает на то, что система могла бы быть более устойчивой в возделывании картофеля в временных и долгосрочных условиях, если ресурсы вносятся на оптимальных уровнях. Мы объяснили это синергией между синтетическими ресурсами и чаем вермикультуры. Несколько исследований предполагают, что смешанное использование высоко- и низкокачественных почвенных ресурсов может модулировать высвобождение N, приводя к относительно более высокой синхронизации, что может снизить потери N в системах земледелия (Ajayi et al., 2007; Singh et al., 2007). Общее снижение урожайности картофеля за годы объясняется низким откликом почвы на удобрение и вариациями осадков. Например, осадки, полученные в SR19 (780 мм), могли потенциально привести к выщелачиванию питательных веществ и эрозии почвы, приводя к плохому развитию культур (Du et al., 2021; Dimkpa et al., 2023).

В согласии с нашими находками по продуктивности фасоли и картофеля, другие исследования показали, что комбинация чаёв вермикультуры с другими ресурсами улучшает рост и урожайность культур. Например, применение компостного чая в сочетании с неорганическим удобрением, как сообщалось, значительно улучшило урожайность Centella asiatica (L.) Siddiqui et al. (2011) и пшеницы Reeve et al. (2012). Sanwal et al. (2007) продемонстрировали, что применение птичьего навоза и компостного чая значительно увеличило урожайность корневищ имбиря, в то время как в исследовании Lazcano et al. (2010) комбинация с кроличьим навозом увеличила процент всхожести сеянцев сосны приморской. Однако исследования использовали достаточные уровни ресурсов, таким образом, более высокие урожаи, подтверждая необходимость внесения ресурсов на достаточных уровнях. Кроме того, системы на основе вермикультуры осуществимы для увеличения урожайности, обеспечивают экономические выгоды и улучшают почвенный мелиорант (Wu et al., 2012). В целом, наша урожайность зерна фасоли была существенно ниже потенциала урожайности культуры в странах Африки к югу от Сахары, который составляет от 0,6 Mg га−1 до 2,6 Mg га−1 (Miruts et al., 2024). Урожайность клубней картофеля из нашего исследования также была существенно ниже регионального потенциала 40 Mg га−1 (Schulte-Geldermann, 2013; Muthoni and Shimelis, 2023) и национального среднего для Кении, 8 Mg га−1-15 Mg га−1 (Muthoni and Shimelis, 2023). Эти неутешительные показатели урожайности объясняются натуральными нормами внесения ресурсов и богарными условиями.

В целом, как продуктивность почвы, так и продуктивность культур были низкими, таким образом, ни одна из внедрённых систем не была достаточной в качестве подходящего подхода, главным образом из-за низких количеств ресурсов и преобладающих климатических условий (например, зарегистрированная вариация осадков). Это указывает на сильное влияние факторов окружающей среды и практик управления на продуктивность культур. Тем не менее, учитывая потенциально более низкие производственные затраты чая вермикультуры по сравнению с другими ресурсами (например, приготовление компоста трудоёмко и требует времени), и его стабильно лучшую урожайность кукурузы, основной продовольственной культуры в Кении, он может быть перспективным вариантом ресурса при натуральном производстве. Однако мы рекомендуем дальнейшие исследования продуктивности при севообороте в системах земледелия с оптимальным применением использованных ресурсов. Следовательно, из исследования вытекает необходимость исследования осуществимости использования технологии вермикультуры для крупномасштабного производства и экономической жизнеспособности производства чая вермикультуры как органического ресурса в достаточных количествах в тропиках.

Дополнительный материал к этой статье можно найти онлайн по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fsufs.2026.1839660/full#supplementary-material

Matheri F, Karanja E, Bautze D and Kiboi M (2026) Soil and crop productivity under on-farm vermiculture-based farming system at smallholder rates in the sub-humid tropics. Front. Sustain. Food Syst. 10:1839660. doi: 10.3389/fsufs.2026.1839660

Перевод статьи «Soil and crop productivity under on-farm vermiculture-based farming system at smallholder rates in the sub-humid tropics» авторов Matheri F, Karanja E, Bautze D and Kiboi M., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык

Фото: ИИ