Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 6
1.1. Воздушный режим почв при применении удобрений. 8
1.2. Агрофизические свойства почвы как показатели ее воздушного режима 20
Глава 2. Условия и методика проведения исследований . 33
2.1. Характеристика объекта исследований . 33
2.2. Методы исследований 38
2.3. Агрометеорологическая характеристика вегетаци онных периодов 1976-1980 гг. 40
Глава 3. Воздушный режим дерново-подзолистой суглинистой почвы при применении удобрений 46
3.1. Интенсивность продуцирования СО2 с поверхности почвы 47
3.2. Состав почвенного воздуха 65
Глава 4. Влияние удобрений на физические свойства дерно во-подзолистой суглинистой почвы 85
4.1. Структурный состав 88
4.2. Водопрочность почвенной структуры 95
4.3. Пористость агрегатов 100
4.4. Плотность сложения, общая пористость и возду-хообеспеченность почвы 105
4.5. Окислительно-восстановительные свойства агрегатов 110
Выводы 118
Рекомендации 121
Список литературы 122
Приложения 153
- Агрофизические свойства почвы как показатели ее воздушного режима
- Агрометеорологическая характеристика вегетаци онных периодов 1976-1980 гг.
- Плотность сложения, общая пористость и возду-хообеспеченность почвы
- Окислительно-восстановительные свойства агрегатов
Введение к работе
Успешное выполнение Продовольственной программы СССР тесно связано с эффективным использованием основного средства производства в сельском хозяйстве - земли. Резервы почвенного плодородия и эффективность удобрений в полной мере могут реализоваться при оптимальных агрофизических свойствах, среди которых важное значение имеет воздушный режим.
Воздушный режим почв складывается из совокупности процессов поступления воздуха в почву, передвижения его в профиле почвы, изменения состава, газообмена между почвой и атмосферой. Потребление кислорода в почве и образование углекислоты связано с напряженностью биологических и биохимических процессов. Интенсивность удаления из почвы избытка С02 и поступление 02 находятся в прямой зависимости от физического состояния почвы. Управление режимом физических свойств почв в условиях интенсивной химизации невозможно без познания закономерностей их изменения.
В литературе накоплен значительный материал о влиянии удобрений на отдельные показатели воздушного режима почв. Однако исследования по данному вопросу носят разноречивый характер. Одни авторы считают, что при применении удобрений происходит усиление продуцирования почвой С02, улучшаются физические свойства; другие -указывают на отсутствие положительного влияния удобрений на интенсивность выделения углекислоты из почвы, ее физическое состояние.
Формирование урожая сельскохозяйственных культур происходит на разных этапах развития растений и в значительной степени определяется почвенными условиями. Однако изучению изменения воздушного режима почв в динамике по фазам развития растений уделялось мало внимания. Требования сельскохозяйственных культур к условиям аэрации, реакция растений на содержание и качественный состав почвенного воздуха на фоне применения удобрений изучены слабо. Почти не освещены в литературе вопросы взаимосвязи воздушного режима почв с особенностями продукционного процесса растений, одним из показателей которого является фотосинтетическая активность. Изучение влияния удобрений на воздушный режим дерново-подзолистых суглинистых почв, характеризующихся малоблагоприятными физическими свойствами, требует особого внимания. Выявление оптимальных параметров воздушного режима этих почв имеет большое теоретическое и практическое значение для разработки приемов эффективного использования удобрений, регулирования почвенного плодородия, управления ростом и развитием растений, создания моделей почвенного плодородия .
Целью данной работы являлось изучение влияния органо-мине-ральной системы удобрения в севообороте на воздушный режим дерново-подзолистой суглинистой почвы под разными сельскохозяйственными культурами (картофелем, озимой пшеницей, многолетними травами).
Проведены комплексные исследования на дерново-подзолистой суглинистой почве по выявлению влияния удобрений на состав почвенного воздуха и интенсивность выделения углекислого газа из почвы с параллельным изучением показателей физического состояния почвы. Установлено, что состав почвенного воздуха оказывает влияние на продуктивность сельскохозяйственных культур. Выявлены параметры состава почвенного воздуха, при которых отмечается снижение продуктивности изучаемых культур на фоне применения удобрений. Показано, что интенсивность выделения С02 из почвы может служить косвенным показателем продуктивности растений и эффективности агротехнических приемов.
Результаты исследований могут найти применение при определении путей направленного улучшения агрофизических свойств почв и разработке мероприятий по их окультуриванию в целях оптимизации условий минерального питания растений, использоваться при планировании системы и норм удобрений на окультуренных дерново-подзолистых почвах, при прогнозировании характера изменения агрофизических свойств при внесении удобрений. Экспериментальные данные могут быть использованы при разработке оценочных критериев оптимальности почвенных условий для конкретных сельскохозяйственных культур.
Работа проводилась в полевом стационарном опыте экспериментальной базы учебно-опытного хозяйства "Михайловское" (Московская область) и на кафедре почвоведения ТСХА.
Результаты исследований доложены на конференциях Московского НТО сельского хозяйства в учхозе ТСХА "Михайловское" (1978 г., 1982 г.), научной конференции ТСХА (1982 г.). По материалам диссертации опубликовано 5 статей.
Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю академику ВАСХНИЛ доктору с.-х. наук профессору Н.П.Панову и научному консультанту кандидату биологических наук доценту М.В. Стратонович за ценные советы и помощь при оформлении диссертации. Считаю своим долгом поблагодарить научных сотрудников отдела растениеводства экспериментальной базы "Михайловское" А.Г.Замараева и Г.В.Чаповскую за оказанную помощь в работе и предоставление некоторых материалов по опыту.
Агрофизические свойства почвы как показатели ее воздушного режима
Плотность почвы является одной из наиболее важных характеристик физического состояния почвы. Корневые системы растений способны нормально развиваться в довольно широком диапазоне плотности. Отрицательное действие высокой плотности почвы проявляется через нарушение водного и воздушного режима почв. При уплотнении почвы, по данным Е. м. Klimanek и j.Greiiich /1981/, достоверно возрастает концентрация COg в почвенном воздухе. На суглинистых почвах наибольшая интенсивность выделения СОо из почвы наблюдается при плотности сложения 1,0-1,2 г/см3 /Наумов С.А., Блохин -B.H., 1971; Писарев Б.А., Лобадюк В.Д., 1973/.
Плотность сложения почв влияет на структурное состояние почвы. Так, например, Б.А.Писарев и В.Д.Лобадюк /1973/ отмечают, что агрегатов агрономически ценного размера 7-0,25 мм при плотности дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы 1,1-1,2 г/см образу-ется больше, чем при уплотнении почвы до 1,35-1,50 г/см .
На протяжении вегетационного периода плотность почвы существенно изменяется под действием обработок, удобрений, осадков, корневых систем растений и в результате деятельности почвенных животных. Устойчивое во времени сложение суглинистых и глинистых почв может обеспечить механически прочная и водопрочная структура.
Структура почвы, - как писал В.Р.Вильяме /1940/, - это тот культурный фон земледелия, на который накладываются все другие агротехнические мероприятия в растениеводстве". В структурной почве обеспечивается благоприятное сочетание капиллярной и некапиллярной пористости, что важно для снабжения растений водой и воздухом. Структура, созданная почвообрабатывающими орудиями, в зависимости от погодных условий и свойств почвы может сохраняться довольно длительный период, определяя условия роста и развития растений.
Агрономически ценной структурой является, как указывает большинство исследователей /Соколовский А.Н., 1933; Ревут И.Б.,1972; Качинский Н.А., 1965; Нерпин СВ., Чудновский А.Ф., 1967; Воробьев С.А. с соавт., 1977/, комковато-зернистая структура с размером агрегатов от 0,25 мм до 5-7-10 мм. В.В.Медведев /1982/ пишет, что при оптимальном структурном составе должны преобладать агрегаты, которые приблизительно равны размеру высеваемых семян; кроме того, универсальной смеси агрегатов нельзя рекомендовать, так как соотношение агрегатов разного размера должно варьировать в зависимости от конкретных условий и в течение вегетации культуры. Почвенные агрегаты образуются в результате склеивания почвенных частиц органическими и минеральными коллоидными веществами при необратимой коагуляции их двух - и трехвалентными катионами кальция, магния, железа и алюминия /Вильяме В.Р., 1950; Гедройц К.К., 1955; Тюлин А.Ф., 1938; Качинский Н.А., 1965; Вершинин П.В., 1958/. Большое значение имеет также состав глинистых минералов /Тюлин А.Ф., Коровкина А.В., 1950; Хан Д.В., 1969; Chakraborty G. et al., 1981/. Ведущая роль в образовании агрономически ценной структуры принадлежит гумусу /Рыжов С.Н., Цыбульская Т.Я., 1938; Вершинин П.В., 1959; Кузнецова И.В., 1966; Jacquin F., 1978/. Структурные агрегаты, скрепленные корешками растений, мицелием грибов и бактериальными слизями, в процессе гумификации органического вещества приобретают водопрочность /Курляндчик А.С, 1973; Monnier G., 1965 Dabek-Szreniawska М., 1977; Skinner P.A., 1979; Roychoud-hury P. et al., 1980/. Действие минеральных удобрений на структуру зависит от свойств почвы, степени ее окультуренноети. Многие исследователи отмечают улучшение макроструктуры почвы при внесении минеральных удобрений /Каростоянова Р.С, 1958; Брагин A.M., Макарова Л.А., 1972; Прокопович В.Н., 1979; Волощук А.Т., 1980; Лыков A.M., Бат-рина Н.А. с соавт., 1981; Бахтин П.У., Семенов Н.А., 1988/. В то же время имеется целый ряд работ, в которых показано, что длительное применение минеральных удобрений не приводит к существенному улучшению структуры, а в некоторых случаях даже наблюдается тенденция к диспергации почвы /Гельцер Ф.Ю., 1936; Саввинов Н.И., 1936; Иваницкая Е.И., 1971; Голубцов A.M., Лазарь П.Я., 1976; Носко Б.С. с соавт., 1977; Калиновская Н.И. с соавт., 1979; Медведев В.В., 1982; Hofman G., Appelmans ]?., 1975/. Наиболее важное свойство почвенной структуры - это ее водопрочность. Длительное систематическое внесение физиологически кислых минеральных удобрений приводит к снижению водопрочности почвенных агрегатов. Н.В.Гниненко /1970/ отмечал в длительном опыте (50 лет) на слабовыщелоченном и обыкновенном черноземах снижение водопрочности на 17-25% по минеральной системе удобрения, в то время как при внесении навоза водопрочность повышалась на 20-26%. В Ю.Бразилевский (1975) наблюдал некоторое снижение водопрочности структурымалогумусного слабовыщелоченного легкосуглинистого чернозема при увеличении дозы удобрений с 135 кг д.в. до 540 кг д.в.пж за севооборот даже на фоне 120 т/га навоза.
Агрометеорологическая характеристика вегетаци онных периодов 1976-1980 гг.
Климат района исследований умеренно-континентальный. Норма осадков за год составляет 609 мм, на вегетационный период (май-август) приходится 272 мм осадков (таблица 5). Средняя многолетняя среднесуточная температура за май-август составляет 14,8С. В мае и июне 1976 г. количество осадков составило 243,5 мм, что более чем в два раза превышало норму (114 мм). Среднемесячная температура воздуха в эти месяцы была на 1,6-2,3С ниже средних многолетних значений. На 5,3С ниже нормы была температура первой декады июля. Низкие температуры обусловили замедленное развитие растений картофеля и озимой пшеницы (приложение І). Б то же время следует отметить, что нарастание вегетативной массы озимой пшеницы (приложение 2) и многолетних трав 1-го года пользования шло очень интенсивно. В июле выпало 105,9 мм осадков (среднее многолетнее 85 мм), что вызвало опасность массового полегания озимой пшеницы. Число полегших растений на удобренном варианте составило 80-90%. В результате этого озимая пшеница на удобренном варианте не реализовала своих возможностей, продуктивность была ниже, чем на неудобренном варианте среднеокультуренной почвы (таблица 6). Планируемый уровень урожайности не был достигнут, а зерно на удобренном варианте отличалось щуплостью. Август характеризовался пониженными средними температурами воздуха (+13,8С), количество осадков было несколько меньше нормы-. За вегетацию 1976 г. выпало 413,0 мм осадков. Средняя температура за май-август составила +13,0С. Таким образом, вегетационный период 1976 г. был прохладным и додливым. Урожай картофеля получен в этом году очень низкий. Для многолетних трав I г.п. погодные условия 1976 г. были благоприятны, продуктивность трав -самая высокая за годы исследований. Весна 1977 г. характеризовалась теплой погодой. Высокая температура в первой декаде мая (+14,9С), отсутствие осадков обусловили быстрое прогревание почвы, что дало возможность провести посадку картофеля в ранний срок - 6 мая. Достаточное количество влаги и тепла в мае создали условия для быстрого роста и развития сельскохозяйственных культур. Средняя температура воздуха в июне и июле была близка к средним многолетнием данным, а количество осадков - немного меньше нормы. Начало августа было теплым и дождливым. Вторая и третья декады отличались более прохладной погодой, осадков выпало мало - всего 25 мм. В целом метеоданные 1977 г. соответствовали средним многолетним значениям. Метеорологические условия года способствовали получению высоких урожаев озимой пшеницы и картофеля. Для многолетних трав количество осадков за вегетацию, вероятно, было недостаточно.
Поэтому урожайность многолетних трав I г.п. снизилась по сравнению с предшествующим годом. Весенний период 1978 г. был очень холодным и дождливым. Средняя температура мая составила +6,7С. Особенно холодной явилась третья декада мая - среднесуточная температура равнялась +4,5С при норме +13,2С. Слабое прогревание и переувлажненность почвы задержали начало полевых работ, срок посадки картофеля отодвинули до 84 мая. Рост и развитие озимой пшеницы и многолетних трав I г.п. проходили медленно. Количество осадков за май-август составило 335,3 им, что значительно выше нормы. Но распределение их за сезон было неравномерным. Осадки практически отсутствовали в третьей декаде мая и первой и третьей декадах июня. Зато во второй декаде июня выпало 75 мм осадков при норме 23 мм за декаду и 68 мм за месяц. Температура июня и июля в среднем была на 1,7-В,3С ниже нормы. Первая декада августа отличалась теплой погодой, температура на 1,4С превышала значение средней многолетней. Но во вторую и третью декады месяца снова установилась прохладная погода. Таким образом, метеорологические условия 1978 г. были малоблагоприятными для возделываемых сельскохозяйственных культур. 1979 г. в мае и июне характеризовался жаркой и засушливой погодой. Температура в третьей декаде мая на 5С превышала норму. За два месяца выпало всего 35,8 мм осадков, что почти в три раза меньше среднемноголетнего количества осадков в этот период. Необычные условия года способствовали быстрому прохождению сельскохозяйственными культурами фаз развития, но при слабом росте вегетативной массы.
Плотность сложения, общая пористость и возду-хообеспеченность почвы
Одним из критериев оценки агрофизических свойств почв является их плотность. Плотность почвы в верхних горизонтах довольно, динамична. Каждый тип почв характеризуется определенной величиной равновесной плотности, которая устанавливается после обработки через определенный промежуток времени в результате действия сил уплотнения и разрыхления.
Равновесная плотность дерново-подзолистых суглинистых почв составляет 1,35-1,50 г/см3 /Пупонин А.Й., 1979; Сорочкин В.М., Шептухов В.Н., 1981/. Оптимальная плотность сложения, которая обеспечивает наибольшую продуктивность основных сельскохозяйственных культур, для почв тяжелого механического состава равна 1,0-1,2 г/см3 /Васильев A.M. с соавт., 1965; Долгов СИ. с соавт., 1968, 1970; Кривенков Н.П., 1968; Заев П.П., Королев А.В., 1971; Вальдгауз Э.Г., 1978; Кузнецова И.В., 1979а; Сорочкин В.М., 1982/. Отрицательное действие повышенной плотности проявляется через нарушение водо- и воздухообеспеченности корневых систем растений /Кузнецова И.В., Виноградова Г.В., 1981/. Определение плотности дерново-подзолистой суглинистой средне окультуренной почвы на удобренном и неудобренном вариантах проводили в 1976 и 1977 годах, которые резко различались по гидро-термическим условиям, что дало возможность объективно оценить влияние удобрений на изменение плотности сложения почвы. Дерново-подзолистая среднесуглинистая среднеокультуренная почва опытного участка характеризуется относительно высокой плотностью сложения пахотного слоя. Под посевами озимой пшеницы и многолетних трав I г.п. плотность почвы (ПП) составляет в слое 0-Ю см 1,84-1,38 г/см3 и в слое 10-20 см 1,28-1,40 г/см3 (таблица 18). Средние значения плотности почвы под картофелем в пахотном слое колеблются от 1,11 до 1,35 г/см .
Сложение пахотного слоя дерново-подзолистой суглинистой средне окультуренной почвы неустойчиво во времени и зависит от агротехники и биологических особенностей возделываемых сельскохозяйственных культур, условий увлажнения. Пахотный слой быстро уплотняется после обработок, что связано с невысокой водопрочностью и механической прочностью почвенной структуры. Так, под картофелем в первой половине вегетационного периода при достаточном содержании влаги в почве отмечалось значительное уплотнение пахотного / ч слоя, плотность почвы достигала 1,30-1,40 г/см , что превышает оптимальные для этой культуры величины. Междурядные обработки почвы, проводимые до смыкания ботвы, были эффективны лишь в сухом 1977 г. Клубнеобразование в 1977 г. проходило при оптимальной ч плотности сложения пахотного слоя - 0,95-1,11 г/см . В 1976 г. верхний слой почвы 0-Ю см оставался уплотненным в течение всей вегетации, а в слое 10-20 см наблюдалось некоторое снижение плотности в период интенсивного клубнеобразования. Плотность сложения почвы под озимой пшеницей и многолетними травами I г.п. в весенне-летний период изменяется менее значительно. Наибольшее уплотнение пахотного слоя характерно для почвы под ч многолетними травами (1,38-1,42 г/см). Максимальные значения плотности почвы под всеми изучаемыми культурами отмечались в избыточно влажном 1976 г. Плотность почвы на границе перехода от пахотного слоя к подпахотному и в подпахотном горизонте независимо от произрастающей культуры высокая: в слое 20-30 см составляет 1,29-1,42 г/см , в слоях 30-40 см и 40-50 см - 1,39-1,46 г/см .
В результате значительного уплотнения подпахотного горизонта проникновение в него корней растений затруднено. При оценке плотности сложения по шкале НД.Качинского /1965/ среднеокультуренная дерново-подзолистая почва остается в разряде уплотненных и плотных почв, то есть не поднимается до класса культурной пашни. Такий образом, внесение органических и минеральных удобрений в севообороте хотя и способствует окультуриванию дерново-подзолистой почвы, но не приводит к существенному и устойчивому снижению ее плотности. При использовании дерново-подзолистой среднеокультуренной почвы без удобрений в течение нескольких лет отмечается некоторое уплотнение в пахотном слое под посевами озимой пшеницы и многолет-них трав I г.п. на величину 0,01-0,05 г/см , под картофелем - в среднем на 0,05-0,12 г/см , максимально перед уборкой культуры на 0,14-0,16 г/см3. Плотность твердой фазы почвы является константной величиной, зависящей от содержания гумуса и минерального состава почвы. Величина плотности твердой фазы составляет в пахотном горизонте 2,62-2,63 г/см , в подпахотном возрастает до 2,67-2,70 г/см . По вариантам опыта не отмечается изменения плотности твердой фазы почвы. С величиной плотности сложения и плотности твердой фазы почвы тесно связана ее общая пористость (0П). Общая пористость пахотного горизонта почв опытного участка колеблется под картофелем от 48,3 до 57,6$ и под озимой пшеницей и многолетними травами I г.п. от 46,6 до 52,5%. По оценке Н.А.Качинского /1958/, пахотный слой имеет удовлетворительные агрофизические свойства при общей порозности не менее 50-55%. В подпахотном горизонте общая пористость составляет 45,3-47,2%.
Окислительно-восстановительные свойства агрегатов
Направленность окислительно-восстановительных процессов в почве в значительной степени зависит от физических свойств почвы, ее структурного состояния. По определению Б.Г.Розанова /1975/, "подавляющее большинство тонких биохимических и химических процессов превращения вещества, составляющих существенную часть почвообразования, имеют внутриагрегатный характер". Величина окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) на поверхности и внутри почвенного агрегата может различаться на 50-100 и даже 200 мВ /Тягны-Рядно М.Г., 1963; Кауричев И.О., Тарарина Л.Ф., 1972/. Удобрения, обусловливая изменения в составе и свойствах агрегатов, влияют и на направленность окислительно-восстановительных процессов в почвенных агрегатах. Окислительно-восстановительные свойства почвенных агрегатов на фоне применения удобрений практически не изучены. В связи с этим были поставлены модельные опыты с агрегатами дерново-подзолистой суглинистой среднеокультуренной почвы с удобренного и неудобренного вариантов. Опыты проводились с почвой, состоящей из агрегатов размером 5-3,, 3-2, 2-І, 1-0,5, 0,5-0,25 и меньше 0,25 мм, а также с образцами нерассеянной почвы. Почва насыпалась в стеклянные стаканчики без дна диаметром 4,5 см на высоту 10 см и капиллярно увлажнялась дистиллированной водой в течение месяца. Стаканчики в первом опыте помещались в термостат, где поддерживалась температура +25-28С при насыщенности атмосферы парами воды. Во втором опыте стаканчики в термостат не старились, температура проведения опыта составляла +18-21С. После полного капиллярного насыщения почвы в каждый стаканчик опыта 2 было посажено по 12 проростков ячменя.
Повторность опытов 4-6-кратная. Для изучения изменения состава почвенного воздуха в условиях опытов в (стаканчики устанавливались стеклянные трубочки с резиновыми наконечниками» Пробы воздуха отбирали шприцем и анализировали на газовом хроматографе. Результаты исследований представлены в табл. 19. Известно, что с уменьшением размера агрегатов величина некапиллярной пористости снижается и возрастает объем капиллярных пор (Дояренко А.Г.,1963). Увлажнение почвы за счет капиллярных сил в опытах возрастает от крупных агрегатов к более мелким. Наибольшие значения капиллярной влагоемкости отмечаются у агрегатов размером 0,5-0,35 мм, несколько ниже у фракции менее 0,25 мм. Образцы нерассеянной почвы при капиллярном насыщении имеют промежуточные показатели влажности. Удобренная почва в сравнении с неудобренной отличается более высокой величиной капиллярной влагоемкости, что особенно характерно для крупных фракций агрегатов. Увеличение капиллярной влагоемкое ти удобренной почвы обусловлено повышением пористости агрегатов в результате использования органо-минеральных удобрений. Рассмотрим проявление окислительно-восстановительных условий в агрегатах почвы при капиллярном увлажнении. 0 направленности окислительно-восстановительных реакций в почве можно судить по величине ОВП, составу почвенного воздуха, изменению содержания некоторых ионов: ио , Ж)2, нн , Ре , Ре . Показатели окислительно-восстановительного потенциала в структурных фракциях почвы больше 0,25 мм на удобренном и неудобренном вариантах мало различаются и характеризуют развитие в почве окислительных реакций. Во фракции почвы меньше 0,25 мм при капиллярной влагоемкости окислительно-восстановительный потенциал резко снижается, развиваются восстановительные процессы. Характерно присутствие во всех структурных фракциях почвы нитритов и закисного железа, что указывает на наличие внутри почвенных комков анаэробных микрозон. Максимальное количество нитритов и закисно-го железа содержится в пылеватой .фРакции почвы, что согласуется с изменением ОВП. Благоприятные окислительно-восстановительные условия, которые создаются при компостировании почвы без растений в агрегатах размером больше 0,25 мм, способствуют накоплению нитратов в почве. Вместе с тем отмечается также и увеличение количества аммиачного азота в сравнении с исходным содержанием в образцах. Во фракции 0,5-0,25 мм содержание нитратов несколько снижается, а аммиака возрастает по сравнению с более крупными агрегатами. Потребление азота растениями в опыте 2 обусловливает некоторое уменьшение содержания нитратов в почве. В пылеватой фракции почвы при капиллярном увлажнении содержание нитратов значительно уменьшается, а аммиака увеличивается по сравнению с более крупными агрегатами. Накопление NHJ ВО фракции менее 0,25 мм в опыте без растений вызывает подщелачивание почвенного раствора. В опыте с растениями величина рН не изменяется, что, вероятно, связано с подкислением среды продуктами жизнедеятельности растений.
