Содержание к диссертации
Введение
1. Роль кремния и макроэлементов в формировании урожайности сельскохозяйственных культур 8
1.1. Кремний и макроэлементы в жизни растений 8
1.2. Эффективность высококремнистых пород в качестве удобрения сельскохозяйственных культур 24
2. Почвенно-климатические условия, объекты и ме тоды исследований 31
2.1. Почвенно-климатическая характеристика опытного поля 31
2.2. Объекты исследований, технология возделывания сахарной свеклы 36
2.3. Учеты, анализы и методы исследований 44
3. Влияние диатомита и макроэлементов на свойства чернозема выщелоченного и подвижность тяжелых металлов 47
3.1. Агрофизическое состояние 47
3.2. Агрохимические показатели 52
3.3. Водный режим 5 6
3.4. Содержание тяжелых металлов 61
4. Урожайность и качество корнеплодов сахарной свеклы в зависимости от применения диатомита и его смесей с минеральными удобрениями 65
4.1. Урожайность 65
4.2. Содержание питательных элементов в корнеплодах 71
4.3. Баланс NPK в почве 76
4.4. Сахаристость 82
4.5. Экологическая оценка продукции 86
5. Эффективность применения опоки и ее смесей с мочевиной в системе удобрения сахарной свеклы 94
5.1. Влияние на агрохимические свойства почвы 94
5.2. Урожайность и качество корнеплодов 97
5.3. Экологическая оценка продукции 103
6. Производственные опыты с использованием диатомита при возделывании сахарной свеклы 106
7. Экономическая и биоэнергетическая эффектив ность технологий возделывания сахарной свеклы с использованием диатомита и его смесей с мине ральными удобрениями 109
7. Г. Экономическая эффективность 109
7.2. Биоэнергетическая оценка 112
Выводы 116
Предложение производству 118
Литература
- Эффективность высококремнистых пород в качестве удобрения сельскохозяйственных культур
- Агрохимические показатели
- Содержание питательных элементов в корнеплодах
- Урожайность и качество корнеплодов
Введение к работе
Актуальность. В современном земледелии важнейшей задачей является увеличение объемов производства экологически безопасной продукции. Однако продуктивность сельскохозяйственных культур остается низкой из-за недостатка средств интенсификации по причине их дороговизны. Особенно не удовлетворяются потребности растениеводства в минеральных удобрениях, являющихся основным фактором роста продуктивности земледелия и улучшения плодородия почв.
В условиях ограниченности материальных ресурсов сельскохозяйственных товаропроизводителей назрела острая потребность в изыскании доступных местных удобрений, которые бы обеспечивали минеральное питание растений и позволяли получать экологически' безопасную продукцию высокого качества. Во многих регионах России имеются большие запасы нерудных минерально-сырьевых ресурсов, пригодность которых в качестве удобрения сельскохозяйственных культур практически не изучена. В этом отношении значительный интерес представляют высококремнистые породы, как природные сорбенты, при отдельном и комплексном их применении с макроэлементами.
Исследования являются составной частью плана научной работы ФГОУ ВПО «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия» (per. №01.200.203529)
Цель работы. Целью исследований являлось изучение эффективности использования высококремнистых пород (диатомита и опоки) и их смесей с минеральными удобрениями при возделывании сахарной свеклы в условиях Среднего Поволжья.
Задачи исследований:
- установить влияние высококремнистых пород и их смесей с минеральными удобрениями на агрофизические свойства, водный и питательный режимы чернозема выщелоченного;
изучить действие диатомита, опоки и их смесей с минеральными удобрениями на урожайность и качество корнеплодов сахарной свеклы;
дать экологическую, экономическую и биоэнергетическую оценку технологиям возделывания сахарной свеклы с использованием- высококремнистых пород и их смесей с минеральными удобрениями;
провести производственные испытания диатомита в качестве удобрения сахарной свеклы.
Научная новизна. В условиях Среднего Поволжья впервые проведены, исследования по изучению эффективности применения в качестве удобрения диатомита и опоки как в чистом виде, так и совместно с минеральными удобрениями при возделывании сахарной свеклы. Установлено, что высококремнистые породы улучшают агрофизические свойства, водный и питательный режимы чернозема выщелоченного. Совместное применение их'с минеральными удобрениями положительно влияет на урожайность > и качество корнеплодов сахарной свеклы. Изучена подвижность токсичных элементов в почве в зависимости от внесения высококремнистых пород, а также выявлены закономерности поступления их в продукцию. Дана экономическая и биоэнергетическая оценка технологии возделывания сахарной свеклы с использованием диатомита в чистом виде и его смесей с минеральными удобрениями.
Практическая значимость. Результаты исследований позволяют в конкретных почвенно-климатических условиях рекомендовать производству применение высококремнистых пород в качестве удобрения сахарной свеклы, что обеспечит получение экологически безопасной продукции высокого качества с одновременным сохранением плодородия- почвы. Урожайность корнеплодов при этом повышается на 35 %, сбор сахара на 18 %.
Защищаемые положения:
- диатомит и опока способствуют оптимизации агрофизических свойств,
питательного и водного режимов чернозема выщелоченного;
применение диатомита (3 и 5 т/га) и опоки (1 и 3 т/га) в качестве удобрения обеспечивает повышение урожайности сахарной свеклы на 8 — 31 %. Для формирования более высокой урожайности корнеплодов достаточно использование высококремнистых пород в дозе 3 т/га и азотных удобрений в дозе 30 - 40 кг д.в./га.
применение диатомита как в чистом виде в дозе 3 т/га, так и совместно с мочевиной в дозе 30 кг д.в./га экономически и энергетически более эффективно.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований апробированы в производственных условиях ООО «Чеботаевское» Сурского района и внедряются в ряде сельскохозяйственных предприятий Ульяновской области; используются в учебном процессе при чтении лекций по дисциплинам «Агрохимия» и «Использование нетрадиционных сырьевых ресурсов в качестве удобрения сельскохозяйственных культур».
Личный вклад соискателя. Соискателем лично разработана программа исследования, проведены полевые и лабораторные эксперименты, сделаны анализ и обобщения полученного материала, а также выводы и рекомендации производству.
Апробация работы и публикации. Результаты исследований и положения диссертации докладывались и обсуждались на ежегодных внутриву-зовских научных конференциях Ульяновской ГСХА (2004 - 2007 гг.); на 10 Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов - 2003» (Москва, 2003); на Всероссийской научно-практической конференции «Современное развитие АПК: региональный опыт, проблемы, перспективы» (Ульяновск, 2005); на Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы применения удобрений в сельском хозяйстве», посвященной 140-летию со дня рождения Д.Н. Прянишникова (Владикавказ, 2005); на Международной научно-практической конференции «Молодежь и наука XXI века» (Ульяновск, 2006); на Всерос-
сийской научно-практической конференции «Аграрная наука и образование в реализации национального проекта «Развитие АПК»» (Ульяновск, 2006 г.), на II Открытой Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Молодежь и наука XXI века» (Ульяновск, 2007 г.); на Международной научно-практической конференции «Агрохимия и экология: история и современность» (Нижний Новгород, 2008 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 142 страницах компьютерного текста, состоит из введения, 7 глав, выводов и предложений производству, включает 23 таблицы, 6 рисунков, 30 приложений. Список литературы включает 275 источников отечественных и зарубежных авторов.
Автор выражает искреннюю признательность и благодарность научному руководителю, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Куликовой Алевтине Христофоровне, коллективу кафедры почвоведения, агрохимии и агроэкологии, а также студентам - дипломникам, принимавшим участие в проведении опытов, за поддержку и помощь при выполнении работы.
Эффективность высококремнистых пород в качестве удобрения сельскохозяйственных культур
В, настоящее время в, сельском хозяйстве страны резко сократилось применение органических и минеральных удобрений. Основной причиной этого является существующее экономическое положение хозяйств и резкий рост цен на удобрения. Такая ситуация приводит к снижению плодородия почв и, как следствие, к снижению урожайности сельскохозяйственных культур и- производства растениеводческой продукции. В связи с этим все более актуальным, становится активное вовлечение в сельскохозяйственную деятельность нетрадиционных источников минерального сырья.
Выделяются две группы минерального сырья, которые позволяют обеспечить выход отраслей агропромышленного комплекса на качественно новый уровень, отвечающий современным методам ведения сельского хозяйства. Первая группа — природные сорбенты (горные породы и минералы), обладающие высокими адсорбционными, каталитическими и ионообменными свойствами. К ним относятся цеолиты, бентониты, диатомиты, опоки и трепелы, палыгорски-товые глины, вермикулиты, перлиты. Вторая группа - различные удобрения местного значения — малые месторождения фосфоритов, сапропелей, глауконитов, торфовивианитов (Дистанов У.Г., 1989).
Наша страна располагает большими запасами минерально-сырьевых ресурсов, достаточных для полного обеспечения всех потребностей агропромышленного комплекса в природных сорбентах и местных агрорудах. Только разведанные запасы диатомитов, трепелов и опок в бывшем СССР оценены в 1,9 млрд. тонн. Значительными запасами нерудных материалов обладает Ульяновская область, где диатомиты, опоки, трепелы, цеолиты, торфотуфы, известковые материалы и фосфориты исчисляются сотнями миллионов тонн (Кабанов К.А., 1958; Полякова Т.И. и др., 2001). По состоянию на 1.01.2000 года балансом учитываются три месторождения диатомитов с суммарными запасами 27810 тыс. м (Инзенское, Забалуйское, Барыш 25 ское). В качестве базовых для целей сельского хозяйства в Поволжье рекомендованы Инзенское и Атемарское месторождения диатомитов (Природа Ульяновской области, 1963; Дистанов У.Г., 1989; Минерально-производственный..., 2002). Диатомиты - это легкие, тонкопористые породы, сложенные" в основ ной своей массе мельчайшими опаловыми створками диатомовых водорос лей, которые представляют собой скопление их кремнистых панцирей в мор ских осадках. Обычно рыхлый или слабо сцементированный, светло-серого или желтоватого цвета, в различных количествах в диатомите встречаются глобулы опала, не имеющие органогенной структуры, а также обломочные и глинистые минералы (Диатомовые водоросли СССР, 1974; Волкова И.И., 1976; Петтиджон Дж., 1981).
В химическом составе диатомитов преобладает кремнезем, содержание которого достигает 88-90 %, содержание глинозема,колеблется в пределах от 3 до 13 %, содержание остальных окислов не превышает 4 - 5 % (Дистанов У.Г., 1989)1
Диатомовые — наиболее широко распространенная и наиболее богатая видами группа среди водорослей. Они обитают всюду - в пресных и соленых водах, на земле и в почве. Таким образом, диатомовые, наравне с остальными водорослями, обитают в двух основных типах местообитания: водных и сухопутных.
Диатомовые примечательны тем, что усваивают соединения кремния и строят из них оболочку-панцирь. Массовое развитие диатомовых водорослей происходит при условии богатого содержания питательных солей в зоне фотосинтеза (Воронков М.Г. и др., 1978). Они являются постоянным компонентом почвенной микробиоты и одним из поставщиков растворимого кремнезема (Суханова Н.В. и др., 2000; Переладов A.M., 2005).
Известны они с карбона, но наиболее интенсивно развивались в палеогене и неогене и развиваются в современную эпоху (Диатомовые водоросли СССР, 1974). Как было отмечено, диатомиты относят к природным сорбентам, которые обладают высокоразвитой поверхностью. Благодаря чему они способны поглощать, удерживать в почвах и медленно расходовать воду, макро- и микроэлементы и другие питательные вещества, снизить поступление тяжелых металлов и других токсичных соединений в продукцию, создавать благоприятные физические свойства почвы. Следует при этом отметить, что природные сорбенты - экологически безопасное, наиболее доступное, дешевое сырье. Они не только не загрязняют окружающую среду, но и способны эффективно снижать и нейтрализовать наиболее токсичные для растений, животных и человека соединения. Не случайно, что за рубежом нетрадиционное минеральное сырье используется в больших масштабах. Так, например, в США для нужд сельского хозяйства ежегодно используется более 800 тыс. т цеолитов, 800 тыс. т бентонитов, около 650 тыс. т палыгорскитов, 115 тыс. т вермикулитов и около 400 тыс. тонн диатомитов (Дистанов У.Г., 1989).
Долгое время в нашей стране диатомиты находили применение только лишь в промышленности строительных материалов, теплоизоляционной, нефтяной и химической промышленности. Однако У.Г. Дистановым (1987) и В.П. Петровым (1987) было предложено два возможных направления использования этих природных материалов в сельском хозяйстве: в качестве носителей и наполнителей пестицидов и для получения пролонгированных удобрений.
Агрохимические показатели
Одним из определяющих факторов формирования урожая является обеспеченность растений питательными веществами в оптимальном соотношении. К.А. Тимирязев (1941) считал, что все искусство земледелия сосредоточено в одной точке - в питании растений: «...недоедание людей начинается с голодания растений».
В современных условиях изучение влияния систем удобрений на показатели почвенного плодородия имеет важное теоретическое и практическое значение.
По литературным сведениям растворимый кремнезём активно участвует в почвенных процессах: внесение кремниевых удобрений улучшает фосфорное питание растений. Активные формы кремния могут вытеснять из труднорастворимых почвенных фосфатов фосфат-анионы. Применение кремниевых удобрений позволяет снизить, дозы фосфорных удобрений вдвое, а иногда и вообще отказаться от них (Матыченков В.В. и др., 2002).
Кремниевые удобрения1 обладают, как правило, высокой адсорбционной способностью. Поэтому их. применение повышает адсорбционную спо- собность почв не только к фосфору, но и к калию, нитратному и аммонийному азоту (Тарановская В.Г., 1939; Тарановская ВТ., 1940; Матыченков В.В. и др., 1997; Matichenkov V.V., 2000).
Анализы данных наших опытов показали, что внесение диатомита в чистом виде и совместно с минеральным азотом в почву приводило к улучшению питания растений сахарной свеклы основными элементами (таблица 4, приложение 6, 7).
Перед посевом на вариантах с внесением полной дозы минеральных удобрений - N60P60K60 в пахотном слое содержание нитратного и аммиач-. ного азота повышалось на 26 мг/кг (11,5 %), фосфора на 10 (6,5 %) и калия на 15 (11 %) мг на кг почвы по сравнению с контролем. На вариантах: диатомит 3 т/га, диатомит 3 т/га + N60 и диатомит 5 т/га улучшалось фосфорное питание соответственно на 13 мг/кг (8,4 %), 20 мг/кг (12,9 %) и 19 мг/кг (12,3 %) по отношению к контрольному варианту. Отмечалось достоверное повышение содержания азота на 7 - 13 мг/кг (на 5 — 9,3 %) и калия на Г6 — 21 мг/кг (10,7 - 14,1 %) (таблица 4).
Увеличение содержания подвижного фосфора в почве подтверждает многочисленные сведения о трансформации труднорастворимых соединений фосфатов под влиянием подвижной кремнекислоти в более доступные. Положительное влияние диатомита на количество подвижного калия вполне объяснимо относительно высоким содержанием в нем элемента; Так, с дозами диатомита 3 и 5 т/га в почву вносится 31—51 кг/га КгО соответственно.
Улучшение азотного питания растений при внесение диатомита в-почву, по-видимому объясняется тем, что при использовании кремнийсодержа-щих соединений повышается микробиологическая активность почвы, благодаря чему усиливается процесс нитрификации, увеличивается количество аммонификаторов (Воронков М.Г. и др, 1978; Кцоев Б.К. и др., 1990; Самсонова Н.Е., 2001).
При применении диатомита как в чистом виде, так и совместно с минеральным азотом содержание водорастворимого кремния в почве перед- посевом сахарной свеклы увеличилось на 1,3 - 5,8 мг/кг почвы (на 4-17 %), чем на контрольном варианте. Преимущество на данных вариантах по содержанию указанного элемента в почве отмечалось и перед уборкой культуры (на 3,5 — 7 мг/кг почвы или на 10-20 %). Учитывая, что по шкале В.В. Матыченкова (2007) в данной почве наблюдается низкий уровень водорастворимого кремния, внесение диатомита в почву способствует оптимизации кремниевого питания растений.
Содержание питательных элементов в корнеплодах
При этом прибавка урожайности корнеплодов сахарной свеклы при использовании диатомита в чистом виде оказалась такой же, что и при внесении полного минерального удобрения N60P60K60.
Добавление к диатомиту в дозе 3 т/га 30 кг д.в./га азота (мочевины) повышало урожайность сахарной свеклы по отношению к контролю на 18.1 %. Внесение диатомита в дозе 3 т/га с полной дозошазотных удобрений, также приводило к повышению урожайности на 20 %. Однако разница уро жайности корнеплодов сахарной свеклы между вариантами диатомит 3 т/га + N30 и диатомит 3 т/га + N60 несущественна.
Таким образом, результаты 4-х летних исследований убедительно доказывают, что для формирования большей урожайности сахарной» свеклы наиболее целесообразно применять диатомит 3 т/га совместно с мочевиной с дозой 30 кг д.в./га.
Анализ урожайности сахарной свеклы в зависимости от удобрений позволяет сделать следующие выводы: - внесение в почву диатомита в чистом виде в дозах 3 и 5 т/га по вышало урожайность сахарной свеклы в среднем за 2003 - 2005 гг. на 22.2 % и 30,7 % соответственно в сравнении с контролем и не уступало в этом отношении варианту с применением полного минерального удобрения (N60P60K60). - для получения максимального эффекта достаточно применение в тех нологии возделывания сахарной свеклы диатомита в дозе 3 т/га совместно с мочевиной в дозе 30 и 60 кг д.в./га. При этом прибавка урожайности в сред нем за 2003 - 2006 гг. составила 10,5 (31,3 %) и 11,6 (34,6 %) т/га соответственно.
В настоящее время актуальной является задача получения качественной, экологически безопасной и сбалансированной по химическому составу продукции. Накопление азота, фосфора и калия является важнейшим показа телем качества продукции. Минеральное питание растений является одним из основных регулируемых факторов, который может быть использован для-целенаправленного управления ростом и развитием растений с целькиполу-чения высокого и качественного урожая:(Є6бачкина Л.Н., 1983). Элементный состав продуктов - важнейший показатель их биологического качества - в: значительной; степени варьирует в зависимости от агрохимического: состояния почвы и применения различных систем удобрений (Тихомирова В ;Я:, 2003). По мнению ряда исследователей (раздел 1.2), кремнийсодержащие соединения способствуют лучшему фосфорному, калийному, а также азотному питанию растений на протяжении всей вегетации.
В наших исследованиях содержание азота в корнеплодах в зависимости от вариантовюпыта было различным и варьировало по годам в пределах 0,19 - 0 43 % (таблица 7, приложение 16).
Наибольшая концентрация данного элемента в урожае отмечалась на. вариантах с совместным применением диатомита в дозах 3 и 5 т/га и минеральных удобрений и составила в среднем за годы исследований 0,28 - 0,3 %, тогда как на контрольном варианте — 0;24 %.
Более высокая концентрация питательных элементов в корнеплодах, в том числе азота на удобренных вариантах, свидетельствует о большей доступности их растениям, что в конечном итоге сказалось на урожае и сахаристости.
По многочисленным данным, повышение доз азотных удобрений снит жает сахаристость корнеплодов; (Дрейкотт А.Н, 1977; Минеев В;Г., 2004). Однако при применении удобрений в сбалансированноме соотношении: с учетом почвенного плодородия и других факторов отмечается улучшение качества корнеплодов. В нашем случае в корнеплодах одновременно с повышением концентрации азота отмечалось увеличение содержания фосфора и ка-. лия, что свидетельствует о сбалансированности питания растений.
В целом при внесении диатомита как в чистом виде, так и совместно с минеральными удобрениями на создание 1 т урожая расходовалось больше питательных элементов, чем на контроле и варианте N60P60K60, соответственно и вынос питательных элементов был выше.
Урожайность и качество корнеплодов
Содержание обменного КгО в почве перед посевом по вариантам варьировало от 147 до 166 мг/кг, перед уборкой - от 142 до 162 мг/кг. При этом в обе фазы отбора более высокое количество его наблюдалось на варианте с внесением простой удобрительной смеси на основе опоки и мочевины.
Более высокое содержание питательных элементов в почве под посевами сахарной свеклы к концу вегетации предположительно связано с повышенной активностью почвенной микрофлоры в результате ее систематического рыхления, что способствовало мобилизации подвижных питательных веществ в результате разложения органического вещества почвы.
Внесение опоки в почву способствовало накоплению в ней водорастворимой кремнекислоты, что особенно заметно к концу вегетации культур. В среднем за 2005 - 2006 годы перед уборкой урожая содержание водорастворимого кремния при использовании простой удобрительной1 смеси на основе опоки и мочевины повысилось с 33,1 мг/кг до 41,2 мг на 1 кг почвы (24 %).
Сахарная свекла - культура-достаточно требовательная к кремниевому питанию и среднее содержание кремния в корнеплодах составляет 0,70 % на сухое вещество (Воронков М.Г. и др., 1978). По градации В.В. Матыченкова (2007) для нормального роста и развития растений содержание водорастворимого кремния в почвах должно быть не менее 40 мг/кг почвы. В наших опытах содержание его в почве контрольного варианта перед посевом сахарной свеклы составляло 32,1 мг/кг, что, по-видимому, недостаточно для формирования» более высокой урожайности культуры. При этом следует отметить, что внесение в почву простой удобрительной смеси на основе опоки и мочевины повышало содержание в ней водорастворимого кремния до 39,8 мг/кг (на 24 % по сравнению с контролем), что близко к бездефицитному уровню. Преимущество данного варианта сохранялось до конца вегетации.
Содержание органического вещества в почвах основной показатель их плодородия. При низком уровне интенсификации гумус остается чуть ли не единственным источником питания сельскохозяйственных культур. Результаты наших исследований показали, что применение опоки как в чистом виде, так и совместно с мочевиной не привело к заметному изменению в содержании гумуса, реакции почвенного раствора (рН) и суммы поглощенных оснований.
Результаты изучения влияния опоки и удобрительных смесей на ее основе на агрохимические показатели пахотного слоя позволяют сделать следующие выводы: - внесение опоки, простой удобрительной смеси и плава на ее основе повышало содержание минеральных форм азота (NO3 + NH4) в пахотном слое на 9 - 13 %, подвижных форм фосфора.— на 10 - 12 %, обменного калия — на 3 - 13 %. Преимущество данных вариантов сохранялось, до уборки корнеплодов сахарной свеклы; - внесение в почву простой; удобрительной смеси на основе опоки и мочевины повышало- содержание в. ней: водорастворимого кремния до 39,8 мг/кг (на 24 %по сравнению с контролем); - применение опоки как в,чистом; виде, так и совместно с мочевиной практически не оказывало влияние на содержание гумуса, на реакцию поч венного раствора (рН) и сумму поглощенных оснований;
Оптимизация- применения удобрений в свекловодстве, как и в растениеводстве в целом, обусловлена острой необходимостью решения вопросов, связанных с экологическими проблемами и оплатой удобрений прибавкой . урожая. При возделывании культур зачастую вносится обычный набор: из трех основных макроэлементов (NPK) и мало уделяется внимания остальным необходимым для нормального развития растений питательным веществам. Это кальций, кремний, магний, натрий, хлор, микроэлементы, которые при формировании высоких урожаев необходимы культурам- в больших количествах в доступной форме, их недостаток приводит к дисбалансу питательных веществ в прикорневой среден низкому коэффициенту использования их из удобрений. Эти проблемы в большей-степени разрешимы с использованием для оптимизации питательного режима сельскохозяйственных культур- природных сорбентов (цеолиты, бентониты, трепелы, диатомиты, опоки) и получаемых на их основе удобрений.
Результаты полевых опытов показали, высокую эффективность диатомита Инзенского месторождения, как удобрения, при возделывании сельскохозяйственных культур. Следует отметить, что эффективность диатомита повышалась при применении его с небольшими дозами азота. В связи с этим нами была получена и испытана удобрительная смесь на базе природных адсорбционных материалов, в данном случае опоки (способы ее получения описаны в разделе 2.3). В таблице 16 (приложение 24, 25) представлены результаты исследований по изучению влияния удобрений на основе опоки и мочевины на урожайность корнеплодов сахарной свеклы.
