Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние теории и практики применения цинковых удобрений
1.1. Плодородие почв по содержанию подвижного цинка и обоснование необходимости широкого использования цинковых микроудобрений 9
1.2. Физиологическое и биохимическое значение цинка для растительных и животных организмов 17
1.3.Антагонистические и синергические взаимодействия цинка с другими элементами в почвах и при поступлении в растения 24
1.4. Эффективность применения в земледелии комплексонов, комплексонатов, микроэлементов и модифицированных ими минеральных удобрений 36
Глава 2. Объекты, условия и методы исследований
2.1.Объекты исследований 43
2.2 Агрохимические методы анализов почв и растений 46
2.3.Метеорологические условия в годы проведения исследова ний 47
Глава 3. Результаты исследований
3.1.Влияние применения цинковых удобрений на продуктив ность яровой пшеницы 49
3.2.Биометрические показатели растений яровой пшеницы при применении цинковых микроудобрений 58
3.3.Влияние цинковых микроудобрений на химический состав зерна и соломы, на вынос цинка урожаем и его баланс 63
3.3.1. Химический состав зерна и соломы 64
3.3.2. Вынос цинка урожаями 68
3.3.3. Баланс цинка 72
3.3.4. Со держание белка в зерне и его сбор с урожаем 74
3.3.5. Со держание клейковины в зерне 79
3.3.6. Со держание крахмала в зерне 81
3.3.7. Технологические и хлебопекарные качества зерна 84
3.4 Окупаемость применения цинковых удобрений урожаями зерна яровой пшеницы 89
3.4.1. Окупаемость цинковых удобрений зерном яровой пшеницы с. Злата на дерново-подзолистых почвах (по нашим данным) 90
3.4.2 Окупаемость цинковых удобрений зерном яровой пшеницы других сортов на различных типах почв (по материалам опытов аг рохимслужбы) 91
Выводы 98
Предложения производству 100
Список литературы
- Физиологическое и биохимическое значение цинка для растительных и животных организмов
- Эффективность применения в земледелии комплексонов, комплексонатов, микроэлементов и модифицированных ими минеральных удобрений
- Агрохимические методы анализов почв и растений
- Технологические и хлебопекарные качества зерна
Физиологическое и биохимическое значение цинка для растительных и животных организмов
К настоящему времени многочисленными исследованиями достаточно четко установлено, что на почвах бедных микроэлементами снижается урожайность и качество получаемой продукции практически всех культур, а при остром недостатке микроэлементов в рационах животных возможны их заболевания и снижение продуктивности. С другой стороны, микроэлементы проявляя свойства тяжелых металлов при поступлении их в организмы в больших количествах из различных звеньев экосистемы, могут представлять угрозу для здоровья человека. В этой связи возникает необходимость дальнейшего глубокого изучения проблемы микроэлементов в земледелии всех природно-сельскохозяйственных зон страны.
Установлено, что роль микроэлементов в питании растений достаточно многогранна. В частности, В, Mo, Zn, Си, Мп, и Со повышают активность многих ферментов и ферментных систем в растительном организме и улучшают использование растениями питательных веществ из почвы и удобрений. Поэтому микроэлементы нельзя заменить другими элементами, а их недостаток обязательно должен быть восполнен применением соответствующих удобрений. Только в этом случае реализуется возможность получения более высокой продуктивности культур с содержанием в них оптимального количества белков, Сахаров, аминокислот, витаминов и других полезных веществ.
Также выявлено, что микроэлементы способны ускорять развитие растений и созревание семян. Они защищают растения от ряда бактериальных и грибковых болезней (бактериоз льна, гниль сердечка свеклы, серая пятнистость злаков и др.), но в отличие от действия ядохимикатов это происходит за счет повышения иммунитета растений.
Такие микроэлементы как В, Mn, Zn, Си, Мо, Со повышают содержание в растениях связанной воды и водоудерживающую способность тканей, уменьшают транспирацию, что повышает устойчивость растений к засухе. Повышение содержания белка в растениях за счет применения микроэлементов способствует устойчивости растений в засушливых условиях. Большая морозоустойчивость сельскохозяйственных культур определяется повышенным содержанием в них растворимых Сахаров и хлорофилла, формируемых в основном при оптимизации растений микроэлементами.
Микроэлементы проявляют свое положительное влияние на продуктивность, рост и развитие растений, обмен веществ только при внесении их в строго определенных, научно обоснованных нормах в наиболее оптимальные сроки. В настоящее время является аксиомой то, что только материалы агрохимического мониторинга плодородия почв на содержание в них подвижных форм микроэлементов и результаты полевых опытов с микроудобрениями могут служить предпосылкой для рационального применения микроудобрений в целях повышения устойчивости растений к болезням и роста их продуктивности. Как следует из материалов агрохимического обследования (на 01.01.2010 г.) плодородия пахотных почв страны (А.Н. Аристархов, 2012, 2013) 97,5% их площадей характеризуется низким и средним содержанием подвижного цинка, что существенно превышает наличие площадей таких почв по другим микроэлементам (В, Mo, Си,Со, Мп). А.Н. Аристарховым также отмечается практически повсеместная нуждаемость сельскохозяйственных культур в применении цинковых удобрений (рис.1) практически во всех федеральных округах страны, за исключением Дальневосточного. Кроме того установлено, что за последние 25 лет в связи с отсутствием целевого применения цинковых удобрений под сельскохозяйственные культуры наблюдается рост площадей почв с недостаточным содержанием цинка (табл.1).
Суммарно (низко обеспеченные + средне обеспеченные) площади почв, на которых необходимо применять микроудобрения, соответственно, по видам микроэлементов (В, Mo, Zn, Си, Со, Мп) составляют (в %) 27,2; 88,2; 97,5; 73,6; 88,7; 78,6. Следовательно, нуждаемость земледелия в соответствующих удобрениях с учетом размера площадей пахотных почв с недостаточным содержанием микроэлементов можно расположить в следующий убывающий ряд: Zn Со Мо Mn Си В.
Эффективность применения в земледелии комплексонов, комплексонатов, микроэлементов и модифицированных ими минеральных удобрений
В качестве изучаемой культуры была выбрана яровая пшеница как одна из основных составляющих зернового клина посевов в нашей стране. Площади ее посевов составляют 13812,2 тыс. га (18,1%), а в Центральном экономическом регионе - 283,4 тыс. га (4,3%) (Останина, Войтович, 2003). Одним из перспективных ее сортов в Центральном Нечерноземье является сорт Злата, созданный селекционерами ГНУ МОС НИИСХ «Немчиновка» совместно с Рязанским НИИСХ (Авторы Давыдова Н.В. и др. Метод: индивидуальный отбор из гибридной популяции F4 ее. Иволга х Прохоровка). Сорт отзывчив на традиционные минеральные удобрения. Однако данных по влиянию на урожайность культуры микроудобрений на дерново-подзолистых почвах в литературных источниках крайне недостаточно, а под изучаемую - нет вообще. Учитывая, что в земледелии страны повсеместно широко распространена микроэлементная недостаточность (до 70-98% площадей пахотных почв) была обоснована целесообразность комплексного применения под сельскохозяйственные культуры агрохимических средств с участием микроудобрений, и, а первую очередь, наиболее остро востребованных - цинковых (Аристархов, 2000, 2011).3ерно яровой пшеницы «Злата» для посевов в опытах ежегодно любезно предоставлялось нам лабораторией селекции этой культуры Московского ГНУ НИИСХ «Немчиновка» высоких посевных кондиций в 2012 г. - 1- ой репродукции, в 2013 г. - 2-ой репродукции, в 2014 г. - Супер Элита. Сорт отличается высоким потенциалом урожайности - до 50-60 ц/га, высокими показателями качества зерна (содержание клейковины - до 35-45%, ИДК - 72-75 е.ц., сила муки - 300-500 е.а., объемный выход хлеба -до 2000 см ). Зерно имеет хорошие и стабильные по годам хлебопекарные качества. На посевное зерно имеется сертификат соответствия РСВ 050106 13299-12. Оно соответствует ГОСТ- Р 52325-2005 для оригинальных семян на семена посева (ОС). Цинковые удобрения в опытах использовались как в форме традиционного - сульфата цинка, так новых и наиболее перспективных форм - ком-плексонат цинка Solu Mikro-Zn 15 (на основе ЭДТА) производства Буйского химического завода совместно с итальянской ф. Amati. Эти формы удобрений рекомендованы производителями для экономичных способов использования под полевые и овощные культуры. Новизна наших исследований состояла в сравнительном изучении их эффективности и в обосновании возможности их использования для основного внесения. Солу Микро Znl5 характеризуется следующими показателями: хелатирующий агент - ЭДТА (этилендиаминтетрауксусная кислота), содержание микроэлемента - 15%, растворимость - 1000 г/л при 20С, стабильность в интервале рН 3-10.
Дерново-подзолистые почвы с разными агрохимическими показателями для опытов подобраны в ЦОС ВНИИА (Московская область, Домодедовский район) с учетом преобладания распространения их площадей по степени окультуренности в Центральном Нечерноземье. Агрохимические показатели плодородия почв опытных участков приведены ниже в (табл. 4).
Схема полевых опытов на всех 5 опытных полях была одинаковой и в ней предусматривалось изучение эффективности 2х способов применения цинковых микроудобрений на почвах с разными агрохимическими показателями. Для изучения влияния агрохимических свойств почв на эффективность цинковых удобрений ежегодно проводился поделяночный учет урожая и взятие проб почв. Всего за 3 года проведено 280 учетов урожая и отобрано 280 образцов почв.
Удобрения вносили вручную, согласно схемы опыта. Размеры делянок в опытах во все годы исследований 3x4 =12 м , повторность их - 4-х кратная. Посевы зерна проводились в начале мая, уборка - в 1-ой декаде августа. Уход за посевами включал агротехнические мероприятия, предусмотренные агротехнологиями возделывания изучаемой культуры в Нечерноземной зоне.
Статистическую обработку опытных данных проводили методами корреляционно-регрессионного и дисперсионного анализа по Б.А.Доспехову (1979) с использованием программы STRAZ.
В почвах определяли: содержание гумуса по Тюрину (ГОСТ 26213-91), рНКС1 потенциометрически (ГОСТ 26483-85), гидролитическая кислотность по методу Каппена в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26213-91), обменные кальций и магний методом ЦИНАО (ГОСТ 26488-85), сумма поглощенных оснований по методу Каппена (ГОСТ Р 50682-94), подвижный цинк по методу Крупского и Александровой в модификации ЦИНАО (ГОСТ Р 50687-94).
В образцах растений, отобранных в фазу полной спелости, определяли основные элементы структуры урожая по методике Государственного сортоиспытания (1971). В зерне и соломе определяли содержание общего азота по Кьедалю (ГОСТ 13996.4-93), содержание фосфора (ГОСТ 26657-97), калия (ГОСТ 30504-97) и цинка в вытяжках после мокрого озоления с использованием фотоколориметра и пламенного фотометра. Содержание белка определяли расчетным методом по формуле (Nx5,7), клейковину, массу 1000 зерен по ГОСТу 13586.1-168 и 10842-64. Технологические и хлебопекарные показатели зерна по соответствующим методикам и ГОСТам, принятым в ГНУ НИИСХ «Немчиновка».
Агрохимические методы анализов почв и растений
С содержанием общего белка тесно связано важнейшее качество зерна пшеницы содержание клейковины. Известно, что при ее содержании до 25% зерно считается слабым, от 25 до 28 - средним, свыше 28% - сильным. Наши материалы исследований по влиянию цинковых удобрений на содержание клейковины в зерне яровой пшеницы с. Злата представлены в табл.19. Установлено, что по вариантам опыта этот показатель колеблется от 21,6 до 32,4%, т.е. полученное зерно оценивается по разному, от слабого до сильного. При этом зерно с наивысшим показателем содержания клейковины было характерно для почв с наиболее благоприятными агрохимическими показателями (onl). Установлено, что по мере подкисления почв влияние минеральных и цинковых удобрений на этот показатель существенно снижался. Наиболее слабые прибавки в содержании клейковины наблюдались в очень влажном 2013г. (оп2) на кислых почвах. Особо следует отметить, что цинковые микроудобрения вносимые в почву в дозах 1,5-5,0 кг/га в форме ком-плексоната в благоприятных по погодным условиям 2012г,2014г. обеспечивали относительно фона NPK дополнительный прирост содержания клейковины в зерне на 1,3-2,7%, а в очень влажном 2013г прирост этого показателя на кислых почвах не превышал 0,2-0,8% (оп2). Традиционные минеральные
В-форма Zn, Фактор С-доза Zn; соли цинка (сульфата цинка), при основном способе применения действовали несколько слабее, чем комплексонат цинка. При этом установлена приоритетность влияния на этот показатель качества зерна основного способа внесения цинка (в почву).
Некорневые подкормки цинком в фазу кущения пшеницы также оказали достаточно устойчивое положительное влияние на содержание клейковины в зерне, как на почвах средней окультуренности, так и на почвах с повышенной кислотностью. При этом комплексонат цинка имел более чем двукратное преимущество перед минеральной солью, как в благоприятных по погодным условиям годах, так и в очень влажном.
Установлено, что при подкормках наибольший прирост содержания клейковины достигается при использовании комплексоната цинка в дозах 150-250 г/га препарата, и он составляет 1,0-2,6%, тогда как минеральная соль цинка обеспечивает аналогичный показатель в пределах 0,8-1,8%. При неблагоприятных погодных условиях (при избыточных осадках) комплексонат цинка действует слабее (прибавка на уровне 1,2%), а минеральная соль цинка практически не действует. Теоретическое объяснение более слабого действия сульфата цинка состоит в том, что комплексонат попадая на листья растений действует как детергент (этот препарат смачивает поверхность листьев, размягчает восковой слой и быстрее проникает через устьица в сосудистую систему питания растений).
Таким образом, исследованиями показано, что в условиях Центрального Нечерноземья можно получать зерно клейковиной более 28%. Нашими опытами установлено, что это достигается только на почвах с нейтральной реакцией среды (оп. 1), но это не удается на кислых почвах (оп.2).
Крахмал - легкоусвояемый организмом человека и животных углевод. При ферментативном и кислотном гидролизах он расщепляется до глюкозы.
Крахмал относится к группе полисахаридов, в которую еще входят клетчатка и пектиновые вещества. Он в небольших количествах присутствует во всех зеленых органах растений, но в качестве основного запасного углевода накапливается в зерне злаков, клубней, луковицах и корнеплодах. Э.А.Муравин (2003 г.) приводит средние показатели его содержания в широком списке культур, в т.ч. и для зерновых, указывая на величину его содержания в пределах 55-70%. Так, для зерна пшеницы оно составляет - 62%, ржи (зерно) -67%, овес (зерно) - 55%; ячмень (зерно) - 65%; рис (зерно) -60%, кукуруза (зерно) - 65%; гречиха (зерно) -60%;, горох (зерно) - 53% и т.д. Между содержанием белка и крахмала в растениях существует обратная зависимость. Установлено, что в богатых белками семенах зернобобовых крахмала меньше, чем в семенах злаков; еще меньше его в семенах масличных культур (например, в ядрах семян подсолнечника - всего 7%).
Наши исследования по содержанию крахмала в зерне яровой пшеницы с.Злата на дерново-подзолистых почвах разной степени окультуренности показали ( табл.20), что на вариантах абсолютного контроля этот показатель составлял 61,7-62,5%. Применение минеральных удобрений в дозе N90P60K90 приводило к снижению в зерне содержания крахмала до 59,9-60,5%. При этом наивысшие значения показателей были характерны для зерна пшеницы, выращиваемой на участках (опьіті) с более благоприятными агрохимическими свойствами, чем в зерне на почвах с кислой реакцией среды.
Применение же цинковых удобрений на фоне минеральных удобрений не оказало существенного влияния на содержание крахмала в зерне. При этом можно отметить лишь тенденцию уменьшения этого показателя при внесении цинка в почву на участках с нейтральными почвами (опьіті). Это снижение составило 0,20-0,56% только в вариантах с применением комплек-соната Zn в дозах 3-5 кг/га, а использование минеральной соли Zn такого действия не оказало. Обе формы цинка, применяемые способом некорневых подкормок действовали одинаково, способствуя незначительному повышению уровня содержания крахмала.
Технологические и хлебопекарные качества зерна
Расчеты окупаемости применения цинковых удобрений урожаями зерна яровой пшеницы с. Злата, выращиваемой на дерново-подзолистых почвах, выявили их высокие значения - на два порядка выше, чем окупаемость традиционных NPK удобрений при основном внесении цинковых удобрений (в почву), а при использовании некорневых подкормок их окупаемость (в связи с низкими дозами) была даже на три порядка выше (табл.22). При этом ком-плексонаты цинка окупались существенно выше, чем сульфаты цинка. Также достаточно четко выявлено, что на нейтральных дерново-подзолистых почвах все изученные виды цинковых удобрений окупаются более высоко, чем на разностях почв с кислой реакцией среды. Особо следует отметить такой ранее не отмечаемый исследователями факт, что комплексное применение традиционных NPK и цинка способствует более эффективному показателю их использования. В условиях наших опытов с яровой пшеницей окупаемость применения 240 кг/га NPK возрастала с 6,7 до 9,0-9,8 кг/кг (оп.1) на среднеокультуренных почвах, а на почвах слабоокультуренных 6,5-9,0кг/га (оп.2). Некорневые подкормки цинком повышали окупаемость NPK минеральных удобрений с 6,6-7,1 до 7,8-8,3 кг/кг. Таким образом, по этим материалам исследований с цинковыми удобрениями можно сделать прогноз о том, что используя цинковые микроудобрения в комплексе с минеральными в земледелии Центрального Нечерноземья мы можем приблизиться по окупаемости минеральных удобрений урожаями к наиболее развитым в сельскохозяйственном отношении странам (до 10-11 кг/га). Таблица 22. Окупаемость Maicpo(NPK) и цинковых удобрений урожаем зерна яровой пшеницы с. Злата на дерново-подзолистых почвах, (средние данные 2012-2014г)
Аналогичные тенденции установлены в полевых опытах агрохимслужбы страны (табл. 23-25). Так в опытах на черноземах выщелоченных и серых лесных почвах изучалась эффективность цинковых удобрений при внесении их в почву на фоне N60P60K30-60 под яровую пшеницу различных сортов -Харьковская 46, Вера, Скала, Новосибирская, Омская, Бурятская и Московская 35. Следует особо отметить различную сортовую отзывчивость на применение цинковых удобрений и относительно меньшим уровнем прибавок урожая зерна яровой пшеницы в условиях ее возделывания на выщелоченных черноземах и серых лесных почвах. Этот факт достаточно известный в лите ратурных источниках, свидетельствующих о большей эффективности цинка на дерново-подзолистых почвах, чем на почвах с повышенным содержанием гумуса, особенно черноземного ряда. Уровень прибавок урожая зерна яровой пшеницы по данным многолетних наблюдений здесь колебался преимущественно в пределах от 1,2 до 3,4-5,4 ц/га.
Примечание данные за [980 г.; 1,0 Z п в составе с іммофоса, в остальных в ариантах Zn в виде ZnS04 В Курганской области на черноземах выщелоченных по 4-х годичным данным полевых опытов сорт яровой пшеницы Саратовская 76 отзывался на цинковые удобрения прибавками урожая зерна от 3,5 до 5,4 ц/га, а в 1980 г. этот показатель составил 7,7-10,5 ц/га, соответственно по дозам цинка 5,10 и 15 кг/га - 9,0; 7,7 и 10,5 ц/га. Наряду с этим в целой серии опытов агрохимс-лужбы отмечено снижение урожая зерна яровой пшеницы от цинковых удобрений, особенно на черноземах южных и карбонатных. Объяснить эти факты по карточкам полевых опытов 1970-2000 гг. сейчас достаточно сложно. Возможно это связано с антогонистическими взаимодействиями цинка с другими элементами питания и дисбалансом их при поступлении в растения (см. раздел 1.3). Возможные причины этого антогонизм Са и Zn, Р и Zn, К и Zn и т.д.
Окупаемость цинковых удобрений урожаем зерна яровой пшеницы в условиях опытов агрохимслужбы на выщелоченных черноземах и серых лесных почвах при использовании Zn в пределах (2,5-5,0 кг/га) составляла преимущественно в пределах 25-98 кг/кг, а в отдельные годы -100-180 кг/кг. Высокая окупаемость применения цинковых удобрений синхронизируется с повышением окупаемости традиционных макроудобрений (NPK) при совместном их использовании с цинковыми. Показатель окупаемости NPK в этих опытах превышать в 2 раза и более раз, аналогичный показатель в вариантов с NPK без цинка.
Таким образом, можно констатировать очень важный факт, что применение цинковых удобрений под яровую пшеницу различных сортов способствует более эффективному применению традиционных NPK на достаточно широком спектре различных типов почв, но наибольший эффект достигается на дерново-подзолистых почвах на посевах пшеницы современных сортов.
Другие способы применения цинковых удобрений под яровую пшеницу - некорневые подкормки и обработка семян, также обуславливают существенное повышение окупаемости традиционных макроудобрений (табл. 24). Так, некорневые подкормки цинком яровой пшеницы на черноземах выщелоченных в 7 полевых опытах повышали окупаемость на 30-100 и более процентов и изученные сорта яровой пшеницы на этих почвах Московская 35 и Новосибирская 67 отзывались на некорневые подкормки цинком прибавкой урожая зерна примерно одинаково, и она колебалась в пределах 2,7-6,2 ц/га при дозах препарата 100-270 г/га. При этом окупаемость сульфата цинка при таком же экономичном способе внесения находилась в пределах очень непривычных (относительно NPK) высоких величин - 1000 до 2888 кг/кг. На серых лесных и дерново-подзолистых почвах прибавки урожая зерна от цинка соответственно составляли от 3,7 до 6,7 ц/га и от 1,8 до 3,0 ц/га. Окупаемость препаратов удобрений урожаями зерна в этих случаях доходила до 1500-4600 кг/кг.
Обработка семян яровых сортов пшеницы наиболее изучена в опытах Агрохимслужбы на черноземах выщелоченных и оподзоленных, а также на дерново-подзолистых и дерново-карбонатных почвах. Результаты исследований (табл. 25) также свидетельствуют о достаточно существенных прибавках урожаев зерна от использования этого способа применения цинковых удобрений, высокой окупаемости их урожаями, а также о положительном влиянии этого приема на показатели окупаемости традиционных макроудобрений при совместном их использовании с цинком.
Уровень прибавок зерна при использовании способа обработки семян цинком колеблется в пределах 1,0-3,5 ц/га на изученных разностях черноземов и 1,0-2,6 ц/га на дерново-карбонатных почвах. Окупаемость препаратов цинка (в условиях опытов - сульфат цинка) составляла примерно те же величины, что при некорневой подкормке. По предпочтительности из сортов на прием обработки семян больше претендует с. Московская 35, чем сорта Ладэ и Скала. Уровень прибавок урожая в опытах, соответственно, составил 1,0-3,5 ц/га и 0,8-2,6 ц/га. Доза препарата, обеспечившая получение этих прибавок зерна колебалась при расчете на 1 га посева порядка 45-133 г/га.
Таким образом, проведенные исследования по оценке агроэкономиче-ской эффективности применения цинковых удобрений показали: 1) что цинковые удобрения существенно влияют на увеличение окупаемости традиционных макроудобрений урожаями зерна пшеницы, что ранее в теории и практике земледелия не учитывалось; 2) окупаемость цинковых удобрений урожаями превосходит окупаемость традиционных макроудобрений на несколько порядков, что должно учитываться при использовании технологий комплексного применения агрохимических средств; 3) применение основного способа применения цинковых удобрений наиболее предпочтительно для доведения окупаемости применяемых в стране NPK до мировых уровней, т.е. с 3-4 кг/кг до 10-11 кг/кг и более. 4) Выявлено различие сортовой отзывчивости яровой пшеницы на цинковые удобрения в пользу современных сортов. Однако исследований по данному вопросу недостаточно и их надо продолжать.