Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Современное состояние изученности вопроса (обзор литературы) 12
1.1 Функциональные особенности гуминовых веществ и их влияние на развитие растений в агробиоценозе 12
1.2 Основные свойства и источники гуминовых веществ 15
1.3 Изменение продуктивности и качества сельскохозяйственных культур под влиянием различных систем удобрения и гуминовых препаратов 22
1.4 Влияние применения удобрений на агрохимические показатели дерново-подзолистых почв 36
ГЛАВА 2 Объекты, условия и методика проведения исследований 41
2.1 Место проведения исследований 41
2.2 Метеорологические условия в годы проведения исследований 42
2.3 Характеристика почвы 46
2.4 Характеристика изучаемых гуминовых препаратов 48
2.5 Схема опытов и методика проведения исследований 52
Результаты исследований 59
ГЛАВА 3 Влияние удобрений и некорневой обработки гуминовыми препаратами на структурные показатели сельскохозяйственных культур в лабораторном и полевых опытах 59
3.1 Влияние различных систем удобрения на структурные показатели сельскохозяйственных культур 59
3.2 Влияние различных видов гуминовых препаратов на структурные показатели сельскохозяйственных культур 64
3.2.1 Исследования действия гуминовых препаратовна на интенсивность прорастания в условиях лабораторного опыта 64
3.2.2 Исследования действия гуминовых препаратов на структурные показатели в полевых опытах 69
ГЛАВА 4 Влияние различных систем удобрения и гуминовых препаратов на урожайность и качество сельскохозяйственных культур 76
4.1 Влияние различных систем удобрения на урожайность сельскохозяйственных культур 76
4.2 Влияние гуминовых препаратов на урожайность сельскохозяйственных культур 80
4.3 Влияние различных систем удобрения на химический состав и качество урожая 86
4.4 Влияние некорневой обработки гуминовыми препаратами на химический состав и качество выращиваемых культур 89
4.5 Влияние удобрений и гуминовых препаратов на использование элементов питания из почвы и
удобрений 96
ГЛАВА 5 Изменение агрохимических показателей дерново-подзолистой супесчаной почвы под влиянием удобрений 100
5.1 Динамика кислотно-основных свойств под влиянием различных систем удобрения 100
5.2 Динамика содержания гумуса и минерального азота в дерново-подзолистой супесчаной почве 104
5.3 Динамика содержания подвижных соединений фосфора и калия под влиянием различных систем удобрения 108
ГЛАВА 6 Агрономическая, экономическая и агроэнергетическая эффективность удобрений и гуминовых препаратов . 113
6.1 Агрономическая и экономическая эффективность использования удобрений и гуминовых препаратов в звене севооборота 114
6.2 Агроэнергетическая эффективность использования удобрений и гуминовых препаратов в звене севооборота 118
Заключение 121
Список литературы
- Основные свойства и источники гуминовых веществ
- Метеорологические условия в годы проведения исследований
- Влияние различных видов гуминовых препаратов на структурные показатели сельскохозяйственных культур
- Влияние гуминовых препаратов на урожайность сельскохозяйственных культур
Основные свойства и источники гуминовых веществ
Гуминовые вещества (от лат. humus - земля, почва) были впервые получены немецким ученым Ф. Ахардом (F.Achard) в 1786 году и уже более 200 лет изучаются учеными разных стран. Сырьм для получения гуминовых веществ послужил торф. Важно отметить, что в изучение гуминовых веществ большой вклад внесли русские и советские ученые, преимущественно почвоведы: отечественной науки И.В. Тюрин, М.М. Кононова, С.С. Александрова, а также зарубежной науки - В. Фляйг (ФРГ), Ф. Дюшофур (Франция), Т. Хаяси (Япония), М. Шнитцер (Канада), Ф. Стевенсон (США), М.Х.Б. Хейес (Англия) и др. В 1981 году было принято решение о создании Международного общества по изучению гуминовых веществ (International Humic Substances Society - IHSS) (Тейт Р., 1991).
Гуминовые вещества (ГВ) представляют собой сложные смеси устойчивых к биодеструкции высокомолекулярных темноокрашенных органических соединений природного происхождения. ГВ образуются преимущественно при разложении растительных и животных остатков под действием микроорганизмов и абиотических факторов среды (Орлов Д.С., 1990, 1997).
Общепринятая градация ГВ (Орлов Д.С., 1992) основывается на различии в растворимости в кислотах и щелочах. Согласно данной градации ГВ делятся на три составляющие: гумин - неизвлекаемый остаток, нерастворимый ни в щелочах, ни в кислотах; гуминовые кислоты (ГК) - фракция ГВ, растворимая в щелочах и нерастворимая в кислотах (при pH 2); фульвокислоты (ФК) - фракция ГВ, растворимая и в щелочах, и в кислотах. В качестве обобщающего названия, обозначающего как гуминовые, так и фульвокислоты, применяют термин "гумусовые кислоты". Гумусовые кислоты являются наиболее подвижной и реакционноспо-собной компонентой ГВ, активно участвующей в химических процессах, протекающих в экосистемах (Тюрин И.В., 1965; Орлов Д.С., 1992).
Гуминовые вещества (ГВ), такие как гуминовые кислоты, фульвокислоты, гумин необходимы для поддержания почвенного плодородия и питания растений. Сельскохозяйственные культуры, выращенные на почве с необходимым количеством ГВ, меньше подтвергаются стрессам, обеспечивают получение более высоких урожаев, при этом получается продукция более высокого качества (Petit E.R., 2007; Norman Q., 2006; Muscolo A., 2013; Behzad S., 2014).
В последнее время существует несколько гипотез о механизме активности ГВ. Все авторы констатируют благоприятное действие ГВ на растения (Muscolo A. et al., 2013; Zandonadi D.B. et al., 2013). Выделяют до 16 различных факторов благотворного влияния гуматов на систему вода-растение-почва, из которых можно выделить следующие: стимулирование роста и развития растений, защитное действие и транспорт микроэлементов, других необходимых растению соединений (Piccolo A. et al., 1992; Nardi S. et al.,1994; Безуглова О.С., 2009; Trevi-san S. et al., 2011; Pizzeghello D. et al., 2013). Л.А. Христевой были предложены следующие возможные механизмы непосредственного воздействия ГВ на растения: - воздействие ГВ на биологические мембраны, что способствует улучшению поступления гуминовых веществ в растение; - воздействие ГВ на основные внутриклеточные метаболические процессы (Без-углова О.С., 2009).
ГВ оказывают непосредственно прямое действие на растения. Посредством улучшения химических, физических и биологических свойств, они также могут действовать косвенно, оказывая комплексное действие на почву. ГВ благодаря защитному действию способны связывать тяжелые металлы, ксенобиотики, создавая некий защитный барьер для поступления их в растения (Орлов Д.С., 1993; Abelmann K. et al., 2005; Gu C. et al., 2006; Skyllberg U. et al., 2006). Наличие в составе гуминовых веществ кислородсодержащих групп обуславливает оптимизацию и стимулирование роста и развития растений. Синтез гуминовых веществ происходит по принципу естественного отбора наиболее устойчивых к биоразложению структур, время жизни которых в окружающей среде исчисляется сотнями и тысячами лет (Орлов Д.С., 1990, 1992). Как следствие, к фундаментальным свойствам гуминовых веществ относятся нестехиометричность состава, нерегулярность строения, гетерогенность структурных элементов и полидисперсность. При определении состава и строения гуминовых веществ было отмечено, что диапазон вариаций граничных значений атомных отношений основных конституционных элементов - С, Н, О и N не настолько широк. Данный диапозон закономерно изменяется в соответствии с источником происхождения гуминовых веществ: максимальное содержание кислорода и, следовательно, кислородсодержащих функциональных групп наблюдается в гуминовых веществ вод, которое снижается в ряду: воды - почвы - торф - уголь. В этом же ряду нарастает содержание ароматического углерода (Орлов Д.С., Безуглова О.С., 2000).
Многочисленными исследованиями в области физиологии питания растений установлено, что даже кратковременное воздействие на семена растений вызывает существенные изменения развития растений, как в период орогенеза, так период онтогенеза. Усиление ростовых процессов, так как воздействие любого фактора на структуру клетки семени и растения в целом вызывают сдвиги в осуществляемые на разных этапах развития семени и растения, в период их наибольшей пластичности и восприимчивости могут оказать решающее влияние на скорость прохождения дальнейших стадий развития (Третьяков Н.Н. и др., 2000; Попов А.И. и др., 2002; Володина Т.И., Корякина А.И., 2007; Володина Т.И., 2009).
Метеорологические условия в годы проведения исследований
Климатические условия Псковской области и всего Северо-Западного района относятся к умеренно-континентальным. Среднегодовая температура воздуха здесь + 4,5 - +5,5 С. Годовое количество осадков (около 600 мм) значительно превышает их испарение (400 мм), что и приводит к промывному водному режиму почв (Иванов И.А. и др., 1997; Ганжара И.Ф., 2001).
Изменчивость метеоусловий за период исследований отмечается не только по годам, но и в течение вегетационного периода. 2009, 2010 и 2013 года по количеству выпавших осадков можно охарактеризовать, как близкие к среднемноголетним значениям (соответственно 362, 369 и 357 мм выпавших осадков при среднемноголетних значениях в 354 мм). В годы проведения исследований наиболее засушливыми оказались 2011 и 2012 годы (выпало 299 и 327 мм осадков) (рисунок 2).
Анализ динамики температур за период вегетации в годы исследований показал, что 2009 и 2010 года отличались наибольшим отклонением от среднемно-голетних температур (рисунок 3). Самым прохладным оказался 2009 год (средняя температура за 5 месяцев 13,5 0С при среднемноголетних значениях 15,3 0С) (приложение Б).
В 2009 году, когда объектом исследования была кукуруза, прослеживалось чередование засушливых периодов (май, июнь), периодов с умеренным увлажнением (август, сентябрь) и избыточным увлажнением (июль) на фоне относительно низкого температурного режима с мая по июль (рисунок 2). Это сказалось на замедлении роста растений кукурузы на начальных этапах е развития. Начиная со второй декады июля, наблюдалось повышение температурных показателей и обильное выпадение осадков по сравнению с климатической нормой, что способствовало созданию благоприятных условий для формирования урожая. В целом, исследуемый год был благоприятным для роста и развития кукурузы.
2010 год оказался теплее на 2 0С, по сравнению с 2009 годом, что на фоне достаточного увлажнения (сумма осадков была близка к норме) положительно сказалось на продуктивности ячменя (рисунок 2, 3). 22,9
Количество выпавших осадков и температурный режим в 2011 году на протяжении всего периода вегетации растений картофеля позволили обеспечить достаточно высокую продуктивность данной культуры на дерново-подзолистой почве лгкого гранулометрического состава. На протяжении всего периода вегетации наблюдался температурный фон выше среднемноголетних данных, что при недостатке влаги предотвратило развитие распространнного для нашей зоны заболевания картофеля фитофторозом, что немаловажно для протекания процессов клубнеобразования. В августе количество осадков превысило среднемноголетние значения всего на 18 мм. 2012 год был благоприятным для формирования высокого урожая ячменя. Его продуктивность, как показали наши исследования, оказалась ниже по сравнению с 2010 годом, что мы связываем с засушливостью мая, что повлияло в первую очередь на появление всходов и дальнейший их рост. На протяжении остальных месяцев вегетационного периода все климатические показатели были близкими к средним многолетним значениям.
В 2013 году на опытном участке полевого опыта была высеяна викоовсяная смесь. Благоприятные климатические показатели в мае (средняя температура воздуха 16,3 0С, количество выпавших осадков 86 мм) способствовали быстрому появлению всходов, накоплению биомассы растений вики и овса. Необходимо отметить, что сложившиеся условия способствовали, прежде всего, накоплению биомассы растений вики. Климатические условия вегетационного периода в данном году также положительно сказались и на урожае картофеля, посаженного в микрополевом опыте, что отразилось на клубнеобразовании картофеля.
2014 год для роста и развития ячменя в микрополевом опыте можно охарактеризовать как благоприятным. Недостаточное количество осадков в мае (отклонение от климатической нормы 51 %) было компенсировано достаточным их количеством в июне, что положительно отразилось на формировании его урожая.
Климатические условия 2015 года неблагоприятно сказались на урожае картофеля. Недостаток осадков в мае - июне (отклонение от климатической нормы – 38 %) способствовало иссушению поверхностного слоя почвы и отрицательно сказались на появлении всходов. Однако недостаточное количество осадков в июне компенсировались за счт их выпадения в июле. В целом 2015 год можно охарактеризовать как засушливым (приложение Б).
В 2016 году отмечались резкими перепады температуры, которые наблюдались в мае и июне, и на их фоне продолжительные дожди. Температурные показатели июля были близки среднемноголетним показателям. При большом количестве осадков в июле (150 мм) сложились благоприятные условия не только для развития сорной растительности в посевах ячменя и посадках картофеля, но и для развития таких болезней как фитофтороза – на картофеле и бурой ржавчины – на ячмене. Однако необходимо отметить меньшую поражаемость указанными болезнями на удобренных фонах. Неблагоприятные метеорологические условия мая и июня данного года способствовали задержке роста и развития вышеуказанных культур, а также снижению продуктивности культур.
Таким образом, за 8 лет исследований наблюдались как характерные, так и нехарактерные для Псковской области погодные условия. В связи с этим формирование урожайности зависело от сочетания многих факторов, а именно метеорологических условий, удобренности почвы, гуминового препарата и возделываемой культуры.
Влияние различных видов гуминовых препаратов на структурные показатели сельскохозяйственных культур
Использование органической и минеральной систем удобрений оказало меньшее влияние на продуктивную кустистость ячменя, но при использовании как Гумата натрия, так и Гумимакса на указанных фонах отмечается е увеличение на 25 – 35 %. Некорневая обработка этими же препаратами способствовала увеличению массы 1000 зрен на 7 - 11 % при органоминеральной системе удобрения. На фоне с минеральной системы удобрения наибольшее действие оказала некорневая обработка растений Гумимаксом, где увеличение массы 1000 зрен составило по отношению к контрольному варианту 8 %.
Обработка посевов ячменя гуминовыми препаратами способствовала увеличению количества зрен в колосе. Опрыскивание растений ячменя обоими препаратами увеличивало количество зерен в колосе на 12 %, что связано, прежде всего, с присутствием в составе препаратов катионов натрия и калия, повышающим засухоустойчивость сельскохозяйственных культур, что играет не маловажную роль в засушливый период при формировании урожая (таблица 16).
Как показали результаты исследований, приведнные в таблице 17, на картофеле в отличие от ячменя наибольшее положительное действие на изучаемые показатели оказала некорневая обработка Гумимаксом. Максимальный прирост массы клубней от некорневой обработки Гумимаксом наблюдался при органоми-неральной системе удобрения, где он составил 0,2 кг или 22 % по отношению к варианту с водой и 0,34 кг или 45 % от препарата Гумимакс по отношению к неудобренному фону.
На продуктивность картофеля влияние оказывает и распределение клубней картофеля по фракциям. На всех изучаемых системах удобрения происходило увеличение содержания клубней семенной и товарной фракций. При совместном внесении органических и минеральных удобрений доля клубней семенной и товарной фракций увеличилась с 42,1 % на контроле до 66,5 % на фоне с органоми-неральной системой удобрения.
Наряду с положительным влиянием удобрений на изучаемый показатель некорневая обработка как Гуматом натрия, так и Гумимаксом способствовала увеличению доли клубней семенной и крупной фракций. На фоне без удобрений при применении Гумимакса отмечается также снижение доли клубней мелкой фракции с 57,9 до 49,9 % или на 8 %.
Благодаря активизации фотосинтетических процессов, происходящих в растениях картофеля, при некорневой подкормке гуминовыми препаратами ускорялось развитие не только надземной части, но и корневой системы, из столонов которой и происходит образование клубней (таблица 17).
На неудобренном и органическом фонах увеличение количества клубней от некорневой обработки препаратом Гумимакс составило от 1 до 2 шт. с куста. Некорневая обработка гуминовыми препаратами посевов викоовсяной смеси оказала положительное действие на рост и структурные показатели растений овса и вики.
Прирост массы растений от действия гуминовых препаратов на неудобренном и удобренном фонах колебался от 1,55 г на овсе до 2,67 г на вике. Максимальный прирост массы растений при применении гуминовых препаратов наблюдался в фоне с органоминеральной системой удобрения (таблица 18).
Некорневая обработка гуминовыми препаратами в сочетании с использованием различных систем удобрения, прежде всего, повлияла на прирост биомассы растений вики, который колебался в зависимости от применяемой системы удобрения в пределах 2,67 - 6,67 г на растение. Наилучший результат на вике получен при использовании Гумимакса, что связано с наличием в составе данного препарата не только гуминовых кислот, но и микроэлементов, которые благотворно влияют на рост и развитие растений бобовых культур.
Таким образом, на структурные показатели урожая сельскохозяйственных культур положительное влияние оказывают как удобрения, так и гуминовые препараты. Решающая роль в формировании структурных показателей урожая всех изучаемых культур оказала органоминеральная система удобрений, как в действии, так и в последействии. Действие гуминовых препаратов, как показали наши наблюдения, связано с природой вносимых удобрений и биологическими особенностями культуры.
Наибольшую эффективность показали препараты, изготовленные на основе бурого угля (Гумат натрия), сапропеля (Дарина) и торфа (Гумимакс), содержащие в свом составе наибольшее количество гуминовых кислот. Экогель, действующим веществом, которого является лактат хитозан в лабораторном опыте оказался менее эффективным и в дальнейших исследованиях не использовался. Предположительно это объясняется довольно неустойчивой к внешним факторам среды (температуре, осадкам и свету) структурой молекул.
Влияние гуминовых препаратов на урожайность сельскохозяйственных культур
Некорневая обработка гуминовыми препаратами в фазу бутонизации способствовала увеличению содержания крахмала в клубнях картофеля на всех изучаемых системах удобрения. В частности, по отношению к контрольному варианту, повышение содержания крахмала в клубнях картофеля при всех системах удобрения колебалось от 7 до 13 % от использования Гумимакса и от 6 до 9 % - от Гумата натрия.
Применение органических и минеральных удобрений, кроме положительного влияния на урожай и качество продукции, может иметь и негативные последствия. Например, нитраты и нитриты в организме животных и человека могут подвергаться метаболическим процессам, приводящим к образованию токсических веществ, например, метгемоглобина, блокирующего перенос кислорода крови, канцерогенных азотных нитросоединений – нитрозаминов.
Поэтому содержание нитратов в клубнях картофеля не должно превышать предельно допустимых концентраций. В связи с внесением повышенных доз минеральных удобрений особое внимание уделяется накоплению нитратов в клубнях, токсическое действие которых связано с образованием нитрозаминов.
Установлено, что уровень накопления нитратов в клубнях картофеля возрастал примерно в два раза при внесении азота в дозе 135 - 150 кг/га, поэтому при использовании 120 кг/га азота необходим строгий контроль за содержанием нитратов в клубнях. В настоящее время ПДК для продовольственного картофеля составляет 250 мг/кг, а для кормового - 300 мг/кг (Авдонин Н.С., 1979; Кореньков Д.А., 1990).
Результаты проведнных исследований показали, что влияние некорневой обработки гуминовыми препаратами на содержание нитратов в клубнях картофеля было различным и зависело от фона питания. Самое низкое содержание нитратов в клубнях картофеля наблюдалось при органической системе удобрения. Объясняется это тем, что при данной системе удобрения развитие растений происходило быстрее, т.е. наступление фаз развития и технической спелости произошло на 3 – 4 дня раньше, чем на других фонах питания. Самое высокое содержание нитратов отмечалось при органоминеральной системе удобрения, что выше по сравнению с другими системами удобрения, особенно с органической и фоном без удобрений, на 17 – 26 % (таблица 31). Однако содержание нитратов в клубнях картофеля на всех фонах не превышало ПДК.
Оптимизация питания и усвоения растениями макроэлементов, участвующих в важнейших метаболических и физиологических процессах жизнедеятельности растений, позволяет свести к минимуму процесс накопления нитратов в растениеводческой продукции, поэтому в полевом и микрополевом опыте при ис 96 пользовании гуминовых препаратов отмечается снижение содержания нитратов, по отношению к варианту с обработкой водой на 4 – 26 %. Таким образом, сочетание внесения органических и минеральных удобрений и использования гуминовых препаратов в качестве некорневой подкормки показало высокую их эффективность.
Внесение органических и минеральных удобрений способствовала увеличению урожайности сельскохозяйственных культур на дерново-подзолистой супесчаной почве от 48 до 120 % при органоминеральной системе удобрения.
Некорневая обработка гуминовыми препаратами на органоминеральной системе обеспечила повышение урожайности на 32 % у кукурузы и 18 % - ячменя от Гумата натрия, на 20 % - картофеля от Гумимакса, и до 24 % - на викоов-сяной смеси от Гумимакса.
Органоминеральная система удобрения оказала значительное влияние на увеличение содержания макроэлементов в урожае кукурузы и картофеля на 15 – 48 %, а на ячмене - на 9 - 20 %, соответственно. Увеличение содержания сырого протеина на данном фоне питания колебалось от 19 до 55 %.
Некорневая обработка гуминовыми препаратами на фоне применяемых удобрений положительно отразилась на качественных показателях урожая. В зерне ячменя содержание белка увеличилось до 13 % и по отношению к неудобренному фону до 8 %. Некорневая обработка гуминовыми препаратами в фазу бутонизации картофеля способствовала увеличению содержания крахмала в клубнях картофеля на всех изучаемых системах удобрения. Применение гуминовых препаратов способствовало снижению содержания нитратов в клубнях картофеля от 4 до 26 % и повышению содержание крахмала в них на 6 – 13 %.