Содержание к диссертации
Введение
I. Баланс питательных элементов как показатель качества и продуктивности культур и плодородия почв при существующем применении удобрений 4
1.1. Влияние удобрений и мелиорантов на урожайность культур 4
1.2. Влияние удобрений на качество продукции культур 13
1.3. Влияние удобрений на некоторые агрохимические и экотоксикологические показатели почв и сопряжённых, сред 25
1.4. Разработка систем удобрения для получения плановых урожаев возделываемых культур 32
II. Экспериментальная часть. баланс питательных элементов, как отражение продуктивности культур, плодородия почв и обеспечения экологической ситуации окружающей среды в АО «Назарьево» Московской области .37
2.1. Цель, задачи, условия и методика проведения исследований 37
2.2. Анализ применения удобрений в АО «Назарьево» между тремя турами агрохимического обследования почв в 1986 — 2003 г.г 54
2.3. Зависимость урожайности возделываемых культур от доз и соотношений применяемых удобрений 76
2.4. Зависимость показателей качества культур от доз и соотношений применяемых удобрений 81
2.5. Влияние испытывавшихся систем удобрения на потребление питательных элементов культурами 97
2.6. Экономическая эффективность исследовавшихся в опытах систем удобрения 108
Выводы 112
Предложения производству 114
Список литературы.. 115
Приложения 139
- Влияние удобрений на качество продукции культур
- Разработка систем удобрения для получения плановых урожаев возделываемых культур
- Анализ применения удобрений в АО «Назарьево» между тремя турами агрохимического обследования почв в 1986 — 2003 г.г
- Влияние испытывавшихся систем удобрения на потребление питательных элементов культурами
Введение к работе
Получение высоких урожаев возделываемых культур, соответствующих стандартным качественным показателям с соблюдением возрастающих требований к охране окружающей среды при наименьших затратах средств является актуальнейшей проблемой современного агропромышленного комплекса. Возрастающая потребность в средствах химизации земледелия должна стать решающим фактором интенсификации современного сельскохозяйственного производства.
Необходимо тщательно подходить к вопросу использования средств химизации, поскольку как избыток, так и недостаток их в агроценозах является нежелательным фактором в получении плановой продуктивности культур (Державин, 1991).
Только научно-обоснованное комплексное применение средств химизации предполагает разработку системы удобрения в севооборотах (или принятом чередовании культур) для получения плановых или возможных уровней урожаев культур хорошего качества при одновременном регулировании плодородия почв и соблюдением требований к охране окружающее среды (Жуков, 1977, 1983, 1989, 1996). Большое значение придаётся многими отечественными и зарубежными авторами (Державин, Литвак, 1976; Кулаков-ская, 1976; Жуков, 1977, 1989; Реутов, 1983; Филиппов, 1986; Кириллова, 1988, 2005; Дадабаева, 1987; Янишевский, Касицкий, Корогодов, 1991; Жуков, Макарцева, 1997; Balland, 1982; и др.) методам определения доз удобрений на основе балансовых расчётов, как наиболее эффективным для решения вопросов правильного питания культур и поддержания почвенного плодородия. Из баланса питательных веществ растений в земледелии России при обосновании потребности страны в минеральных удобрениях исходил Д.Н. Прянишников (1965).
Однако продуктивность культур зависит не только от уровня и соотношений применяемых удобрений и мелиорантов, а складывается из научно-обоснованного сочетания с приёмами, сроками, формами их применения, агротехники возделывания, сортовых особенностей культур и конкретных поч-венно-климатических условий.
Внедрение в производство интенсивных технологий требует обязательного научного обеспечения комплексного применения средств химизации (Державин, 1991). Даже снижение сред негектар ных доз внесения удобрений в последние годы в Нечерноземье (как и в целом по стране) не должно становиться причиной необоснованного распределения удобрений, способствующего изменению экологического равновесия в системе почва - растение и приводящее к загрязнению малобуферных дерново-подзолистых почв, как первичного звена экологической цепи агроценоза.
В условиях Центрального района Нечернозёмной зоны на преобладающих здесь дерново-подзолистых почвах с низким естественным плодородием и высокой лабильностью параметров при промывном водном режиме изучение эффективности систем удобрений, рассчитанных балансовым методом на основе средневзвешенных показателей плодородия почв с использованием балансовых коэффициентов, особенно актуально для получения возможных или плановых урожаев культур хорошего качества при имеющихся лриродно-экон омических хозяйственных ресурсах.
Настоящая работа поэтому и посвящена изучению и использованию результатов баланса питательных элементов в АО «Назарьево» Московской области в 1986 - 2005 г.г., как прогнозно-экологическому показателю продуктивности культур и плодородия почв для обоснования получения возможных, фактических и плановых урожаев культур с одновременным регулированием некоторых показателей эффективного плодородия почвы и экотокси-кологических параметров сопряжённых сред.
Влияние удобрений на качество продукции культур
Действие удобрений на рост и продуктивность культур неоднозначно и зависит от совокупности факторов. Требования растений к минеральному питанию во многом предопределяются их генотипическими особенностями, почвенно-климатическими, экологическими и агротехническими условиями. Как избыток, так и недостаток тех или иных химических элементов в окружающей среде сказывается на химическом составе растений. (Киргошин, 1996). Из всех элементов питания, несомненно, наиболее важное значение для роста и развития растений имеет азот. Он служит главным источником для синтеза аминокислот, белков и нуклеиновых кислот, его недостаток быстро приводит к замедлению деления и растяжения клеток (Даффус К., Даф-фусДж., 1987; Walter Reuther, 1961).
На рост и качественные показатели урожая культур влияет как недостаток, так и избыток азотного питания. Для каждого вида растений установлены оптимальные дозы удобрений, обеспечивающие максимальный урожай высокого качества (Широков, Полегаев, 1982).
Исследованиями доказана эффективность применения азотных удобрений для повышения белковости зерна зерновых культур (Державин, Седова, 1983; Минеев, Павлов, 1981; Павлов, 1983), которое по исследованиям Гам-зикова (1991) может составлять 7 — 33%. В опытах Березовского (2005) две дополнительные азотные подкормки (N40 в фазу выхода в трубку и N30 в фазу колошения) на фоне основного азотного удобрения (N70) в условиях Московской области приводили к увеличению в зерне озимой пшеницы белка на 1,7% и клейковины на 4,2% по сравнению с контролем без удобрений, при этом сильно улучшались хлебопекарные качества полученной муки. Доказана эффективность некорневой обработки зерновых культур в фазу молочной — молочно-восковой спелости зерна на повышение содержания в нём белка (Агрохимия, 2003).
Недостаток азотного питания приводит к глубоким физиологическим нарушениям растений. Листья растений желтеют, рост ослабевает и угнетается, плодообразование затрудняется или плоды совсем не образуются (Не-любова, Церлинг, 1979; Ягодин, 1980); снижается активность ферментов и темпы фотосинтеза, накопление в продукции белка, витаминов и других биологически важных соединений (Даффус К., Даффус Дж., 1987). У зерновых культур при дефиците азота, зерно становится щуплым, снижается стрессо-устойчивость растений (Магницкий, 1976; Церлинг, 1978).
Высокие дозы азота также снижают качество продукции и не дают ощутимой прибавки урожая. Повышенные дозы азота вызывают мощное развитие растений (израстание), удлиняют вегетационный период, задерживают вызревание. При этом клетки тканей формируются крупными, клеточные стенки становятся тонкими. Плодоовощная продукция, выращенная на высоком азотном фоне получает значительные повреждения при уборке и транспортировке и плохо хранится (Широков, Полегаев, 1982).
Сильное отрицательное влияние оказывает повышенное питание азотом на качество и сохранность урожая овощей. В ряде исследований установлено, что на фоне высоких доз азота в корнеклубнеплодах снижается содержание сухого вещества (Авдонин, 1979; Кораблева, Авдеева, 1991; Минеев, Павлов, 1981; Толстоусов, 1974; Широков, Полегаев, 1982). При аналогичных условиях отмечено снижение содержания сухого вещества в урожае капусты (Кораблева, Авдеева, 1991; Широков, Полегаев, 1982). По данным Пшеченкова с соавторами (2001) избыточное внесение азотных удобрений снижает содержание сухого вещества в клубнях картофеля на 2 -3% и качество продуктов переработки (хрустящего картофеля) на 2 - 4 балла (по 10-бальной шкале).
Некоторыми авторами обнаружено увеличение накопления отдельных компонентов сухого вещества урожая при повышении доз азотных удобрений на фоне такого же или большего (по сравнению с азотными) повышения доз фосфорно-калийных удобрений (Державин, 1992; Dubeu, Bhardwaj, 1971). В опытах Тимошиной и Новикова (2005) в вариантах с преобладанием долей фосфора и калия над азотом в 2 раза: N6oPi2oKi2o на фоне органо-минерального удобрения («Фермерское») содержание сухого вещества и крахмалистость картофеля повышались на 0,4 - 0,5%, а при более узком соотношении N6oP6o-9oK60-9o - снижались на 0,5%. В то же время Лукина и Охлопкова (2005) в своих опытах отмечают, что содержание сухого вещества в клубнях картофеля при увеличении общей дозы азота с 90 до 120 кг/га д.в., но при неизменном соотношении N:P:K=1 :1:1, зависит от сорта и может как повышаться, так и снижаться.
Усиленное азотное питание ухудшает вкусовые качества клубней картофеля, в них накапливаются свободные сахара, аминокислоты и соединения фенольной природы, вызывающие его потемнение после варки и формирование восковидной консистенции мякоти (Молявко, 2002; Прокошев, Дерюгин, 2000; Пшеченков и др., 2001; Широков, Полетаев, 1982). По данным Оберг (по Пшеченкову, 1998) избыточное внесение азотных удобрений приводит к увеличению содержания редуцирующих Сахаров в клубнях, что ухудшает его пищевые качества и делает непригодным для переработки на хрустящий картофель, сырьё для производства которого, имеет ограничения по содержанию редуцирующих Сахаров 0,24 - 0,26% и сухого вещества - не более 22 -23%.
Одностороннее азотное питание увеличивает число треснувших и уродливых корнеплодов у моркови, водянистость капусты, кислотность — у томатов, вызывая при этом пятнистость плодов, содержание растворимых азотистых соединений — в корнеплодах сахарной свёклы, снижая в них содержание сахара, повышается количество нитратов (Кораблева, Авдеева, 1991; Лукина, Охлопкова, 2005; Прокошев, Дерюгин, 2000; Рафулиси Туву-нариву, 2005; Широков, Полетаев, 1982).
Несбалансированное питание азотом приводит к многочисленным болезням сельскохозяйственных культур, связанных, прежде всего с нарушением белково-углеводного баланса, повышению проницаемости плазмалеммы (Даффус К., Даффус Дж., 1987). Так в эти условиях, морковь поражается гнилью солодка, образующей на корнеплодах водянистые коричневые пятна, питиозной гнилью; капуста - точечным некрозом, яровые и озимые ячмень и пшеница, озимая рожь, овёс — мучнистой росой, яровая и озимая пшеница — септориозом листьев и колоса; резко снижается устойчивость картофеля к основным фитопатогенам, что способствует возникновению кольцевой гнили (Васильева, 2001; Зерновые ..., 1995; Основные болезни ..., 1995; Широков, Полетаев, 1982; Юркин, 2005).
Часто поражённые болезнями ещё при вегетации в полевых условиях культуры, выращиваемые на фоне высоких доз азотных удобрений, заражаются вторично при хранении. Чаще всего заражение происходит через некрозы и поражённые ткани, образовавшиеся при действии фитопаразитических грибов и бактерий, полученные на поле. Неустойчивая при хранении продукция с повышенным содержанием Сахаров и азотистых веществ легко поражается грибами сапротрофами, вызывающими у моркови чёрную, чёрную корневую, белую мягкую и серую гнили; у картофеля — фомоз и мокрую гниль, у капусты - фомоз (Белошапкина, 2001; Основные болезни ..., 1995; Петровский и др., 1981).
Разработка систем удобрения для получения плановых урожаев возделываемых культур
Главным фактором эффективности применения всех средств химизации, включая удобрения, является наиболее точное определение их доз, восполняющих потребности растений на создание урожая и способных поддерживать заданный уровень плодородия почвы.
Разработка методов определения доз удобрений под планируемый урожай по-прежнему является одной из наиболее сложных задач агрономической науки. Для разработки оптимальной методики необходимо учитывать комплекс факторов: агротехнические, природно-экологические, экономические, производственные, агрохимические и многие другие. Использование в качестве основоопределяющего одного, нескольких или совокупности факторов породило огромное количество методов определения доз удобрений, которые условно можно разделить на три группы: 1) методы, основанные на обобщении результатов полевых опытов (эмпирические); 2) методы на основе балансовых расчётов (расчётные); 3) методы математических моделей и регрессий (на основе специальных программ и электронного оборудования) (Жуков, 1983).
Первая группа методов наиболее объективно отражает потребность возделываемых культур в удобрении в рамках определённой почвенно-климатической зоны, наиболее точно устанавливает оптимальные дозы, соотношения удобрений и другие параметры, с которыми связана эффективность применения удобрений (Журбицкий, Лавриченко, 1982).
Использование этих методов ограничивается конкретными условиями региона, для которых проводятся исследования. Результаты исследований в конкретных почвенно-климатических зонах основываются на длительных и краткосрочных опытах, проводимых, как правило, под руководством Географической сети. Обработка таких результатов проводится специализированными научно-исследовательскими учреждениями и районными и областными станциями агрохимической службы.
Основным недостатком данной группы методов является корректировка доз применения средств химизации для конкретного хозяйства, так как варьирование почвенно-климатических условий даже в пределах одного региона может быть существенным. Основными методами уточнения доз средств химизации в условиях определённого хозяйства является корректировка с помощью поправочных коэффициентов и бонитировочных баллов для основных типов почв в общем массиве (Ефимов и др., 1984; Муха В.Д. и др., 1994) и коррелятивный метод оценки с помощью выявления математических зависимостей урожайности культур от комплекса воздействующих факторов. Получил распространение метод коррекции доз удобрений, рекомендуемых научно-исследовательскими учреждениями в зависимости от условий применения. При этом учитывается регулярность применения удобрений, предшественники культур и их удобренность, тип почв, метод применения удобрения и другие условия (Агрохимия, 2003).
Хотя использование результатов полевых опытов и остаётся наиболее объективным методом установления оптимальных доз и соотношений удобрений для получения запланированного урожая заданного качества (Журбиц-кий, Лавриченко, 1982), часто открытым остаётся вопрос воспроизводства плодородия почвы и приведения его к требованиям возделываемых культур. Потребность в ускоренном и более доступном для каждого хозяйства способе установления оптимальных доз средств химизации для получения плановых урожаев породило разработку методов, основывающихся на расчетных показателях. Наиболее массовым и востребованным оказались балансовые методы расчёта (Жуков, 1983; Жуков, Глухов, 1977; Шатилов, Каюмов, 1974; Meal listez, Adams, 1977).
Ефимов с соавторами (1984) разделяют все балансовые методы на две обширные группы: определение норм удобрений исходя из выноса питательных веществ урожаем возделываемых культур и определение норм удобрений по возмещению удобрениями выноса урожаями культур питательных веществ в зависимости от содержания их в почве.
Наиболее часто используемым в расчётах доз удобрений является метод элементарного баланса, реже - на плановую прибавку урожая. Сопоставление надёжности разных модификаций указанных балансовых методов позволяет считать расчёт доз удобрений на прибавку урожая более объективным из-за уменьшения ошибок, вносимых сильно меняющимися под влиянием многих условий коэффициентами использования питательных веществ из почвы. Жуков (1983, 1989, 1996) отмечает, что коэффициенты использования питательных веществ растениями из почвы весьма нестабильны и часто являются сильно различающимися величинами, так как во многом зависят от уровня плодородия, гранулометрического состава, типа почвы и уровня агротехники. Разностные коэффициенты использования растениями питательных веществ из удобрений колеблются в гораздо меньших пределах от тех же факторов, снижаясь на более плодородных и повышаясь на бедных соответствующим элементом питания почвах.
Всё возрастающие требования к определению оптимальных доз удобрений стимулировали возникновение методов доведения содержания питательных веществ почвы до оптимального для возделываемых культур уровня. Одним из таких направлений является методика НИУИФ (Определение доз минеральных удобрений..., 1988), основанная на учёте обеспеченности почв тем или иным элементом питания и разработанности концепции прогнозирования динамики содержания питательных веществ почв на основе внесения их в виде удобрений сверх выноса с урожаем. Однако данная методика не учитывает, что доведение содержания питательного элемента в почве до планируемого уровня не всегда сопровождается получением запланированного урожая и, следовательно, доза удобрений завышается и не оправдывается ростом урожая (Янишевский и др., 1991).
Анализ применения удобрений в АО «Назарьево» между тремя турами агрохимического обследования почв в 1986 — 2003 г.г
Расчёты баланса питательных элементов в почве хозяйства для проведения комплексного анализа степени соответствия продуктивности выращиваемых в АО «Назарьево» культур объёмам применяемых удобрений и плодородию почв проводили по ранее указанной методике за три периода: 1986 — 1990 г.г., 1991 - 1996 г.г., 1997 — 2003 г.г. Каждый период начинался и заканчивался очередным туром агрохимического обследования почв (1986, 1990, 1997,2003 г.г.).
Основной задачей данного анализа являлось установление степеней соответствия или несоответствия показателей продуктивности культур количествам применяемых удобрений и уровню плодородия почв при установившемся балансе питательных элементов в почвах хозяйства и определение (расчёты) на основе оптимальных результатов (нормативов) баланса необходимых доз и соотношений удобрений для получения достигнутой и возможной (при имеющихся ресурсах) продуктивности культур и одновременного регулирования плодородия почв, в соответствии с требовательностью выращиваемых культур.
Балансовые расчёты на территории хозяйства АО «Назарьево» Московской области, а также сведения, собранные с некоторых окрестных хозяйств показали, что в данном регионе наиболее острой проблемой является перена сыщенность почв подвижным фосфором и обменным калием при высокой загрязненности тяжёлыми металлами и низкой их оструктуренности, что уже отмечалось нами ранее (Жуков, Швыркин, 2004,2005а; Швыркин, 2005).
Общая среднегодовая насыщенность удобрениями составляла 943 кг/га действующего вещества удобрений, из которых более 70% приходилось на фосфорные и калийные удобрения. Сопоставляя средневзвешенный хозяйственный вынос элементов совокупностью культур с количеством применявшихся удобрений за период 1986 - 1990 г.г. обнаружили существенный положительный баланс по всем основным элементам питания в почве (таб. 5).
Прирост содержания в почве подвижного фосфора и обменного калия происходил быстрыми темпами и уже к началу 90-х годов достиг величин, превышающих границу 6 класса по плодородию. В тоже время, средневзвешенная потребность всех культур с учётом содержания 17,4% в структуре посевов наиболее требовательных к почвенному плодородию овощных культур соответствует 4,1 класса обеспеченности почвы подвижным фосфором и обменным калием.
Таким образом, в 1986 - 1990 г.г. образовался существенный дисбаланс в питании растений всеми основными элементами питания, когда фактические балансовые коэффициенты не превышали 100 %, что означало интенсивное накопление доступных растениям форм элементов в почвах АО «Назарьево». Важно отметить, что хотя величина балансового коэффициента использования азота в 1986 - 1990 г.г. и составляла 87,6 %, реально, по нашему предположению, баланс азота в данный период можно считать близким к нулевому, слабоположительным. Без применения новых технологий в хозяйстве в 1986 - 1990 г.г. потери внесённого азота удобрений, вероятно, могли достигать не менее 25 %. Непродуктивные траты азота почвы и удобрений складываются из газообразного улетучивания аммиака, газообразных потерь продуктов денитрификации и хемоденитрификации, поверхностного и внут-рипочвенного смыва и вертикальной миграции. Прямые полевые наблюдения показали, что за тёплый период пашня теряет 4 кг/га аммиачного азота (Гам-зиков, 1991). Использование высоких доз азотных удобрений влечёт за собой усиление процесса денитрификации и выделение в атмосферу газообразных азотистых соединений: N2, N20, NO, N02 (Макаров Б., Макаров Н., 1976; Макаров Б., Геращенко, 1982). По данным Дж. Дженика (1975), потери азота от денитрификации могут находиться в пределах 44,8 - 56 кг/га, а от эрозии в пределах 22,4 - 28 кг/га. В Центральном районе Нечерноземья при среднегодовом стоке талых вод 90 — 100 мм ежегодно теряется около 6 т/га почвы (Кочетов, Осипов, 1996), с которой сопряжены основные запасы органического, потенциально доступного растениям, азота почв. На фоне достаточного обеспечения растений азотом в 1986 - 1990 г.г., обеспеченность их калием и фосфорам не соответствовала оптимальным требованиям, а чрезмерное применение удобрений не оправдывалось качеством урожая.
С учётом фактических 1986 г. классов обеспеченности почв подвижным фосфором и обменным калием с помощью оптимальных балансовых коэффициентов (таб. 5) нами определены оптимальные дозы удобрений, применяя которые хозяйство не только могло бы получить запланированный урожай всех культур, но и одновременно оптимизировать содержание питательных элементов в почве и растительной продукции. Применяя 214 кг/га д.в. удобрений (N6g Р5 К№) в соотношении N : Р205 : К20 — 13,6 : 1 : 28,4, хозяйство могло получить те же уровни продуктивности возделываемых культур.
Влияние испытывавшихся систем удобрения на потребление питательных элементов культурами
Хозяйственный вынос питательных элементов каждой культуры зависит от множества факторов, технологии возделывания, важнейшими из которых являются дозы и соотношения применяемых удобрений (Агрохимия, 2003; Авдонин, 1982; Лебедева, 1984; Толстоусов, 1987), причём, при увеличении доз удобрений, хозяйственный вынос питательных элементов обычно повышается.
Результаты анализов опытных культур показали, что с увеличением доз ежегодно и в среднем за два года, как правило, возрастало содержание основных элементов питания в урожае основной и побочной продукции кормовых (таб. 23) и овощных (таб. 24,25) культур.
Практически во всех производственных опытах в среднем за два года максимальное содержание азота, фосфора и калия наблюдалось в продукции культур со второго варианта, а минимальное - с контроля без удобрений. В то же время содержание азота в основной продукции с первого и третьего вариантов у бобово-злаковых трав, люцерны и викоовсяной смеси, фосфора — у бобово-злаковых трав и викоовсяной смеси и калия - у бобово-злаковых трав оказалось статистически одинаковым .
В урожае побочной продукции овощных культур существенных отклонений от общей тенденции распределения содержания основных элементов питания по вариантам опытов по результатам двух лет не обнаружено. Содержание азота, фосфора и калия в побочной продукции почти всех овощных культур в первом варианте было достоверно ниже, чем во втором (при боль шей насыщенности посевов удобрениями) и статистически выше, чем на контроле (таб. 25). Отклонения от общей тенденции замечены нами по результатам двухгодичных исследований в содержании азота и калия в ботве картофеля обоих опытов, фосфора - в ботве необработанного борной кислотой картофеля и калия - в ботве моркови. В опытах с картофелем содержание азота в ботве было статистически одинаково в первом варианте и на контроле. Не обнаруживается также достоверной разницы в содержании калия в ботве картофеля между первым вариантом и контролем. В урожае побочной продукции картофеля, необработанного борной кислотой с первого и треть его вариантов не обнаружено достоверной разницы в содержании фосфора, а в ботве моркови урожая первого и второго вариантов практически равным оказалось содержание калия .
Использование культурами питательных элементов удобрений и почвы на первом варианте опытов происходило оптимально, а непроизводительные потери элементов были сведены к минимуму, поэтому при близком или равном относительном содержании азота, фосфора или калия в основной и побочной продукциях некоторых культур на первом и третьем вариантах на первом из них были значительно выше по сравнению с контролем урожаи, часто не уступающие последнему по содержанию сухого вещества.
Хозяйственный вынос элементов питания культурами во всех опытах в среднем за два года, как и следовало ожидать, оказался максимальным на втором варианте, за счёт большего, по сравнению с первым вариантом, относительного содержания азота, фосфора и калия в продукции, а минимальным - на варианте без удобрений из-за низкой урожайности (таб. 26, 27). Более высокое потребление (вынос) азота, фосфора и калия с урожаем кукурузы в среднем за два года произошло в результате достоверных различий в урожайности этой культуры в исследовавшихся вариантах в 2005 году.
Вынос некоторых элементов питания с хозяйственным урожаем овощных культур (таб. 27) оказался на первом варианте выше, чем на втором: азота - в опытах с картофелем и капустой, фосфора и калия - в опытах с картофелем, что объясняется разными соотношениями основной и побочной продукции и неодинаковым содержанием сухого вещества в продукции этих культур, а иногда большим содержанием соответствующих элементов питания в составе сухого вещества в урожаях с первого варианта опытов по сравнению со вторым.
