Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Литературный обзор 8
1.1. Элементный состав растений и сельскохозяйственных культур.. 8
1.2. Почвы и особенности почвенного покрова Республики Татарстан 12
1.3. Содержание гумуса и урожайность зерновых культур 17
1.4. Кислотный режим и элементы питания 25
1.5. Фосфатный режим и урожайность зерновых культур 33
1.6. Калийный режим почв 39
1.7. Динамика урожайности зерновых культур во времени 44
1.8. Связь между почвенными свойствами (макроэлементами питания), продуктивностью агроценозов и ее прогнозирование.. 46
Заключение по литературному обзору 53
Глава II. Природные условия и методические подходы к исследованиям 55
2.1. Географическое положение 55
2.2. Природные условия муниципального района 56
2.3. Почвы и почвенный покров муниципального района 63
2.4. Методика агрохимического обследования пахотных угодий и лабораторных исследований 68
Глава III. Результаты исследований 71
3.1. Почвы (почвенный покров) Восточного Закамья и Муслюмовского муниципального образования 71
3.2. Кислотно-основные свойства почв и пахотный горизонт 80
3.3. Источники и динамика содержания подвижного фосфора 86
3.4. Калийный фонд и динамика содержания обменного калия в пахотных почвах 92
3.5. Почвенное плодородие и динамика урожайности яровой пшеницы 98
3.6. Обеспеченность пахотных почв подвижными формами фосфора, калия и урожайность яровой пшеницы во временном ряду 103
3.7. Парная и множественная корреляция между содержанием подвижных форм фосфора, калия и продуктивностью агроценозов в выборке после исключения экстремальных сельскохозяйственных годов и прогнозирование урожайности яровой пшеницы 119
Глава IV Баланс биофильных макроэлементов питания (азота, фосфора и калия) 133
Глава V. Окупаемость удобрений урожаем яровой пшеницы в пределах Муслюмовского муниципального образования 138
5.1. Общие положения 138
5.2. Окупаемость удобрений (органических и минеральных) 139
Заключение 142
Рекомендация производству 144
Список литературы 145
- Фосфатный режим и урожайность зерновых культур
- Почвы (почвенный покров) Восточного Закамья и Муслюмовского муниципального образования
- Обеспеченность пахотных почв подвижными формами фосфора, калия и урожайность яровой пшеницы во временном ряду
- Баланс биофильных макроэлементов питания (азота, фосфора и калия)
Введение к работе
Актуальность исследований. В настоящее время усилия и мысли ученых направлены на интенсификацию питания растений – через оптимизацию концентрации поглощаемых почвенных элементов путем внесения удобрений для получения стабильной, высокой урожайности сельскохозяйственных культур. Для достижения этой цели ставятся вегетационные, деляночные, стационарные опыты с удобрениями в различных дозах и соотношениях под различные культуры, почвы и мелиоративные приемы. Эти виды научных исследований трудоемки, затратны, требуют много времени. Более того, многофакторность формирования урожайности во времени и пространстве, географическое разнообразие природных условий, отсутствие статистически достоверной информации по вариантам не всегда позволяет получать желаемый результат.
Состояние изученности проблемы. Вопросам обеспечения почв Российской Федерации элементами питания в тесной взаимоувязке с урожайностью сельскохозяйственных культур посвящены исследования И.С. Шатилова (1970, 1973, 1980, 1981), М.К. Каюмова (1977, 1982, 1989), В.А. Семенова (1970, 1977, 1992). В Среднем Поволжье этим вопросом активно занимались А.А. Зиганшин (1987, 1996, 2001), Л.Р. Шарифуллин (1973, 1974), И.Д. Давлятшин (1999, 2000, 2001, 2005, 2006, 2007, 2008, 2010, 2012, 2013), Н.Б. Бакиров (2006, 2008, 2010) и др. Из зарубежных ученых достаточно глубокие исследования выполнены H. Munk (1958), L. Jacobson (I960), K. Menqel (1972), R. Schiid (1988). Однако вопросы взаимодействия агрохимических свойств почв с урожайностью конкретной культуры во временном ряду изучены недостаточно.
В связи с этим в данной работе проводится анализ материалов производственных подразделений одного муниципального образования – Муслюмовско-го на предмет агрохимического состояния пахотных почв, урожайности яровой пшеницы и применения минеральных, органических удобрений во временном ряду за период 1970-2016 гг., что представляет почти полувековой период времени.
Цель и задачи работы. Цель - выявление параметров связи между агрохимическими свойствами подвижных форм фосфора и обменного калия с урожайностью яровой пшеницы во временном ряду для ретроспективного анализа и последующего прогнозирования продуктивности агроценозов.
Для выполнения поставленной цели были определены следующие задачи:
собрать, обобщить, обработать и оценить данные урожайности яровой пшеницы за 1970-2016 гг. и выявить закономерности ее динамики во времени;
выявить изменения показателей агрохимических свойств во временном ряду под воздействием природных и антропогенных факторов;
обработать выборку временного ряда урожайности яровой пшеницы и содержания подвижных форм фосфора и обменного калия методом математической статистики, включая корреляционно-регрессионный анализ;
провести множественный корреляционно-регрессионный анализ в выборках временного ряда между содержанием фосфора, калия и урожайностью яровой пшеницы;
- определить прогнозируемую урожайность яровой пшеницы по показате
лям агрохимических свойств почвы;
- рассчитать окупаемость удобрений (минеральных, органических и их
суммы) в зерновом эквиваленте;
- разработать предложения по воспроизводству плодородия пахотных почв
Восточного Закамья Республики Татарстан.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с концепцией развития аграрной науки и научного обеспечения агропромышленного комплекса Российской Федерации на период до 2025 г. и соответствует паспорту специальности 06.01.04 – агрохимия.
Научная новизна. На основе анализа накопленных материалов за 1970-2016 гг. впервые проведена характеристика агрохимических свойств объекта исследований и выявлены корреляционные связи между содержанием подвижных форм фосфора, калия и урожайностью яровой пшеницы, возделываемой на разных фонах питания во временном ряду. Определены параметры парной и множественной корреляции между содержанием фосфора, калия и урожайностью яровой пшеницы. Выявлены закономерности формирования величины урожая яровой пшеницы в связи с динамикой почвенного плодородия. Осуществлены ретроспективный анализ и прогнозирование урожайности яровой пшеницы по агрохимическим факторам.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Динамика показателей агрохимических свойств почв во времени под влиянием природных и агрохимических факторов.
-
Особенности динамики продуктивности агроценозов яровой пшеницы во времени.
-
Связь между агрохимическими свойствами и урожайностью яровой пшеницы во временном ряду.
Практическая значимость. Полученные результаты исследований позволяют прогнозировать характер и темпы изменения параметров плодородия пахотных почв Восточного Закамья Республики Татарстан (РТ) и наметить приемы сохранения положительного их баланса. Расчеты по балансу макроэлементов питания могут быть использованы для усовершенствования системы удобрений. Прогнозирование урожайности яровой пшеницы служит инструментом управления и оптимизации приемов рационального использования земельных ресурсов не только Республики Татарстан, но и Российской Федерации в целом.
Результаты исследований использованы в монографиях:
1. Справочник агрохимика. – Казань: Изд-во ИД МеДоК, 2013. – 300 с.
2. Справочник агрохимика Республики Татарстан. – Казань: Изд-во ИП
Шайхутдинова А.И., 2015. – 324 с.
Результаты агрохимического обследования пахотных почв также положены в основу ежегодного издания «Агрохимическая характеристика почв Республики Татарстан».
Личный вклад автора. Автор принимал личное участие в сборе, обработке, обобщении статистического материала агрохимического состояния почв, урожайности яровой пшеницы, внесения удобрений (органических, минераль-4
ных, извести и местной аграрной руды фосфоритов), в составлении первичной матрицы факторов, статистической обработке и интерпретации полученной информации.
Производственная проверка и внедрение результатов исследований.
Производственная проверка и внедрение результатов исследований проведены в хозяйствах Муслюмовского муниципального района Республики Татарстан РТ на площади 3,4 тыс. га (акт внедрения прилагается).
Материалы диссертации также широко используются при подготовке и переподготовке агрономических кадров.
Апробация работы. Материалы исследований демонстрировались на международных и всероссийских научно-практических конференциях «День поля» в 2015-2017 годы. Они также были апробированы и получили положительную оценку на региональных, Всероссийских и Международных научно-практических конференциях (Казань, 2015; Анапа, 2016; Саранск, 2016; Ульяновск, 2017).
Публикации. Автором опубликовано 9 печатных работ в различных изданиях, в том числе 4 научные статьи в центральных журналах, вошедших в список рецензируемых изданий, рекомендуемых ВАК Минобрнауки Российской Федерации.
Структура и объем диссертации. Диссертация с общим объемом 172 страницы компьютерного текста состоит из введения, 5 глав, заключения (выводов), рекомендации производству. Список литературы включает 288 источников, в том числе 14 иностранных авторов. Работа иллюстрируется 35 таблицами и 9 рисунками.
Фосфатный режим и урожайность зерновых культур
Первые работы А.И. Энгельгардта (1892), П.А. Костычева (1940) дали мощный толчок в России для изучения природы, физиологической роли и значимости важного макроэлемента – фосфора в жизни естественных и культурных растений. Эффективность фосфора в земледелии определила в кратчайшие сроки базу для строительства и выпуска фосфорных удобрений на Кольском полуострове, где действенное участие принимал академик А.С. Ферсман (1938), и в других региональных центрах. Дальнейшее изучение фосфорного режима в пахотных почвах, поведение фосфорных удобрений в пахотной почве рассматривались в работах Д.Н. Прянишникова (1965), А.В. Соколова (1950), В.Ф. Чирикова (1956), И.Г. Важенина и Г.И. Карасевой (1959), К.Е. Гинзбург (1981) и др. Следующее поколение агрохимиков изучает эффективность фосфорных удобрений, судьбу внесенного фосфора в почву и проблему регулирования фосфорного режима в почвах (Шконде (1952); Войкин (1960); И.Н. Чумаченко, (1964, 2003); Адерехин (1970); Д. Кук (1970, 1977); Б.А. Никитин (1975); Петербургский (1979) и многие другие.
Современному поколению достались исследования поведения фосфатов в различных почвенных типах от дерново-подзолистых почв до сероземов пустынной степи. выявление и определение эффективных доз фосфорных удобрений, проблема оптимизации фосфорного режима в зависимости от характера почв и сельскохозяйственных культур, выявление окупаемости фосфорных удобрений в расчете на товарную продукцию и др.
Фосфор в почву поступает из почвообразующей породы. Однако среднее валовое содержание фосфора в пересчете на Р2О5 в почвах составляет 0,075%, что равно его содержанию в горных породах (Виноградов, 1957). Этот факт говорит о том, что концентрация фосфора в процессе почвообразования остается неизменной из-за биофильности.
Академик А.С. Ферсман называл фосфор «элементом жизни и мысли». Фосфор является элементом, отвечающим за энергетический баланс в биосфере и почвенной среде. Это дает основание считать его стратегически важным элементом в живой природе, дефицит которого нарушает процессы синтеза и расхода органических веществ, являющихся неотъемлемой частью жизненных категорий (Чумаченко, 1964, 2003). Поэтому создание в почве оптимального фосфорного ypoвня, соответствующего формированию высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур, относится к числу первоочередных задач современного земледелия (Кирпичников, 1989; Мине-ев, 1990, 1999, 2004; Сушеница, 1991; Державин, 1992; Уточкин, 1995; Аристархов, 2000; 2015; Сычев, 2003; Ивойлов, 2015).
Резервный фонд фосфора полностью сосредоточен в земной коре. Поэтому природные запасы фосфора в почве определяются содержанием его в материнских почвообразующих породах. Фосфаты в почвах присутствуют в виде минеральных и органических соединений. При этом фосфор в составе органического вещества является вторичным продуктом.
Современные агрохимики и почвоведы продолжают работать по основным направлениям исследований старшего поколения. Основные усилия направлены на выявление регионального содержания подвижного и валового фонда фосфора в различных почвенно-географических зонах, регионах, их динамику при использовании земель под земледелие (Чириков, 1956; Войкин, 1960; Шорин, 1968; Красницкий, 1999; Алиев, 2000; Алиев, Шакиров, Нуриев, 2005). Большинство авторов указывает, что количество подвижного фосфора в почве носит динамичный характер. Однако его динамичность менее выражена, чем содержание азота.
Современниками установлено, что ведущим фактором повышения содержания фосфора в пахотных почвах и дополнительного количества продукции сельского хозяйства является внесение органических и минеральных удобрений (Сычев, 2003, 2016; Сычев, Шафран, Андрианов, 2010; Еремин, 2015; Нефедьева, Варламова, 2015; Окорков, 2015; Шафран, 2015; Шафран, Минакова, Александрова, 2015; Прошкин, Козенчева, 2015; Чекмарев, Лук-манов, Давлятшин и др., 2015; Давлятшин, Маметов, 2016).
Одновременно внесение минеральных и органических удобрений является ведущим приемом для достижения оптимальной концентрации подвижных фосфатов в почве, что зависит от многих факторов, таких как гранулометрический состав, гумусированность, кислотность, водный и температурный режимы, содержание подвижных соединений железа и алюминия и др. (Кулаковская, 1990). При всех прочих условиях поглощение анинов фосфорной кислоты также зависит от биологических особенностей культур севооборота (Важенин, Карасева, 1959).
С повышением гумусированности почв доступность растениям фосфора почвы и удобрения в большинстве случаев повышается (Соколов, 1950). Предполагается, что положительное действие почвенного органического вещества на подвижность фосфатов связано со способностью органических кислот, входящих в состав гумуса, связывать в кислой среде алюминий и железо в виде комплексных соединений, тем самым препятствуя закреплению фосфат - ионов в труднодоступные для растений соединения (Петербургский, 1980). Имеет значение и то обстоятельство, что значительная часть почвенных запасов фосфора находится в составе органических соединений. Кроме того, при распаде органического вещества повышается жизнедеятельность микроорганизмов. Продуцируемые ими органические кислоты способны воздействовать на труднорастворимые фосфаты, переводя их в подвижное состояние. Указанные процессы обычно идут более интенсивно в благоприятных условиях увлажнения и тепла.
Немаловажным фактором среды, определяющим доступность растениям содержащихся в почве фосфатов, является состояние водного режима (Кук, 1977). Установлено, что поступление в растения фосфора резко снижается по мере иссушения почвы. Также предполагается снижение уровня потребления фосфора растениями в условиях низкой влажности почвы. Эффективность внесения фосфорных удобрений при засухе обусловлена усилением доступности фосфора и положительном воздействии этого элемента на поглотительную способность корневой системы растений (Войтович, Сушеница, Капранов, 2005).
Температурный режим также влияет на фосфатный режим почвы. Повышение температуры увеличивает подвижность фосфора в почве. Объясняют это усилением микробиологической деятельности, приводящей к увеличению мобильности фосфорной кислоты (Коршунов, 1972).
Как отмечалось выше, повышенная кислотность сильно снижает доступность фосфатов растениям (Авдонин, 1965; Кулаковская, 1990; Чумаченко, 2003). Это результат взаимодействия катионов железа и фосфат анионов. Известкование играет важную роль в оптимизации фосфатного режима в почве (Ломако, Нуриев, 2001; Храмов, 2001; Алиев, Нуриев, Шаки-ров, 2002).
Культурные растения по-разному реагируют на концентрацию фосфора в почвенном растворе и его поглощают из почвенного раствора. Причинами, обуславливающими разную способность растений усваивать фосфорную кислоту из почвы, являются количество и качество выделяемых корнями кислот, обладающих способностью растворять труднодоступные соединения фосфоpa. Ф.В. Чириков (1956) утверждает, что растения, поглощающие много кальция, обладают повышенной способностью усваивать фосфор, т.к. обедняя вокруг корневой системы почвы кальцием, они тем самым способствуют повышенному растворению фосфатов.
Как отмечалось ранее, действенным способом оптимизации фосфатного уровня почв является применение фосфорных удобрений. По данным Б.А. Доспехова с соавт. (1975), роль удобрений в этом отношении составляет 66%, роль известкования – 16,9%. Многочисленные исследования (Шакиров, 1976; Гинзбург, 1981; Храмов, 2001; Окорков, 2002; Валеев, Давлятшин, Фасхут-динов, 2003; Давлятшин, Бакиров, 2010) подтверждают, что систематическое применение удобрений увеличивает валовое содержание фосфора, запасы его доступных соединений в пахотном горизонте и повышают его усвоение растениями.
Фракционный состав фосфатов в каждой конкретной почве не дает полного представления о соотношении мобильных и труднорастворимых форм, но позволяет видеть пути трансформации вносимого с удобрениями фосфора, дает ключ к мобилизации и предупреждению фиксации его в почвах (Гинзбург, 1981; Иванов, Сычев, Державин и др., 2012).
Почва имеет комплекс свойств, выраженность которых определяется зональным положением, гранулометрическим составом, характером использования в народном хозяйстве, применением минеральных, органических удобрений и мелиорирующих препаратов. Степень обогащения фракций минеральных фосфатов в почве зависит от этих факторов, в том числе от вида удобрений. Результаты исследований А.П. Чернышева (1984) показывают, что при внесении суперфосфата происходит уменьшение содержания наиболее доступных растениям форм фосфора, при одновременном увеличении фосфатов алюминия и железа. От внесения фосфоритной муки с течением времени количество фосфатов кальция возрастает, а фосфаты полуторных окислов проявляют тенденцию к снижению (Алиев, 1990). В серой лесной почве 90% фосфора аммофоса переходит в труднорастворяемые формы и только около 10% остается доступным для растений (Архипов и др., 1986).
В одних почвах внесение фосфорных удобрений улучшает фосфорное питание растений длительное время, а в других – улучшение питания имеет место только в год внесения. А.В. Соколовым (1957), Ш.А. Алиевым (1990) установлено длительное последействие фосфоритной муки и более слабое последействие суперфосфата. Это объясняется постепенным растворением фосфоритной муки, что обеспечивает длительное положительное последействие на фосфорный режим почв. Отсюда вытекает, что важным приемом повышения фосфатного уровня почв с кислой реакцией среды является их фосфоритование.
Почвы (почвенный покров) Восточного Закамья и Муслюмовского муниципального образования
Почва является местом обитания культурных и естественных растений, через коневую систему они извлекают элементы минерального питания и влагу. Выделяющийся из почвы углекислый газ растениями используется в качестве строительного материала для создания нового органического вещества. Продуктивность биоценозов и агроценозов определяет интенсивность круговорота веществ – элементов минерального питания, влаги и воздуха в биосфере. Между продуктивностью био- и агроценозов и уровнем плодородия имеется прямая положительная зависимость.
Со временем возникновения науки – почвоведения, датой рождения которого считается выход в свет научной монографии В.В. Докучаева «Русский чернозем», представленный в качестве научного отчета по черноземной экспедиции Вольно-экономическому обществу. Эталоном почвенного плодородия являются черноземы, основная площадь которых формируется на территории Российской Федерации. Именно в черноземах сосредоточены нужные элементы питания для создания качественного и высокого количества урожая зерновых культур.
Урожайность зерновых культур всегда служила критерием оценки почвенного плодородия как в период господства примитивного земледелия (под-сечно-огневая, лесопольная, переложно-залежная система), так и в период экстенсивного земледелия с обоснованным чередованием культур. Для этой системы земледелия характерным звеном являются черный пар, зерновые культуры и многолетние травы. Так, на территории Республики Татарстан до конца 1930-х годов преобладало трехполье со средней урожайностью зерновых культур до 3-5 ц/га (Зиганшин, 2001). В конце экстенсивной системы земледелия средняя многолетняя урожайность яровой пшеницы (11-летняя скользящая средняя) составила 8,0 ц/га, а озимой ржи 9,0 ц/га (Давлятшин, Бакиров, 1999).
В настоящее время в Республике Татарстан преобладает переходная система земледелия к интенсивной системе. Характерной чертой этой системы является направленные мероприятия по повышению плодородия почв за счет внесения минеральных и органических удобрений, известкование кислых почв, внедрение зернового, зернопропашного и зерно-травопольного севооборотов.
В примитивной и экстенсивной системах земледелия баланс элементов питания всегда был отрицательным. В переходной системе от экстенсивной к интенсивной системе земледелия обязательным элементом являются севообороты, где ведущей культурой служат зерновые хлеба (озимые и яровые), многолетние травы, черные или занятые пары. Кроме того, плодородие почвы восстанавливается за счет внесения минеральных и органических удобрений. Одновременно проводится известкование кислых почв, либо фосфори-тование за счет местных агроруд – фосфоритов. В переходной системе обычно баланс элементов питания имеет отрицательные, иногда положительные показатели. Обычно восполняемость макроэлементов питания приближается к положительным отметкам.
Урожайность культур имеет тенденции роста от примитивной системы земледелия к экстенсивной, переходной и интенсивным системам земледелия. При этом улучшение плодородия в начальных этапах поддерживается за счет приемов обработки, периодического отдыха почвы, а в переходной стадии – за счет внесения минеральных и органических удобрений и создания оптимальной мощности пахотного горизонта.
Наши исследования проводились в пределах Закамского региона (За-камье) Республики Татарстан, занимающего западное крыло Предуральской провинции. Северную часть региона занимает Муслюмовское муниципальное образование, на территории которого осуществлялись агрохимические исследования. В Закамском регионе расположено 21 муниципальное образование с общей площадью земель сельскохозяйственного назначения 2322,4 тыс. га, что составляет 53,2 % от общей площади пахотных угодий Республики Татарстан (табл. 6). В почвенном покрове сельскохозяйственных угодий преобладают лесостепные черноземы, доля которых равна 63,1%. Субдоминантным типом почвы являются серые лесные с площадью 643,1 тыс. га или 27,7 % от площади Закамья. Для остальных почв – дерново-подзолистых, дерново-карбонатных и других типов, что включает аллювиальные, полугидро-морфные, гидроморфные ряды, общая площадь составляет 154,1 тыс. га или 6,6% от площади Закамья.
Таким образом, преобладающим почвенным типом Закамского региона является черноземы, второе место занимают серые лесные почвы.
В почвенном покрове сельскохозяйственных угодий Республики Татарстан серые доминируют лесные почвы, в состав которых также входят серые лесные пестроцветные почвы (Лп) - 1908,9 тыс. га или 43,77% от площади земель сельскохозяйственного назначения Республики Татарстан. Сравнительный анализ показывает, что в Республике Татарстан преобладающим почвенным типом являются серые лесные почвы, уровень плодородия которых ниже черноземов.
Исследуемое муниципальное образование, занимая северную полосу к руслу реки Кама, по составу почв ближе к Закамскому региону. Здесь преобладающим почвенным типом являются черноземы, занимающие 52,7 тыс. га, что составляет 45,5 % от площади сельскохозяйственных угодий района. Серые лесные почвы с обычным и пестроцветным родом имеют 41,0 тыс. га, что составляет 38,9 % от площади района. В почвенном покрове Муслюмов-ского муниципального образования отсутствуют дерново-подзолистые почвы южной тайги.
Таким образом, по составу почв Муслюмовское муниципальное образование занимает промежуточное положение между Республикой Татарстан и Закамьем. Особенности почвенного покрова обусловлены географическим положением, занимающим северную полосу Закамского региона, где доля участия серых лесных почв, особенно подтипа серых и темно-серых лесных почв, высока (табл. 4). Среди черноземов преобладают выщелоченные с площадью 31588 га или 66,7 % от плошади черноземов. Вторую позицию занимают черноземы типичные – эталонная почва среди черноземов.
Среди лесных почв преобладают обычные роды, занимающие 27378 га, а пестроцветный род этого типа занимает 13720 га. Преобладающим подтипов серых лесных почв являются серые лесные почвы – 26486 га.
В почвенном покрове района дерново-карбонатные почвы, типовую принадлежность которых определяет формирование на высококарбонатных породах, имеет площадь 2265 га, среди которых преобладают подтип выщелоченных. Из полугидроморфных зональных почв значительна площадь лугово-черноземных, обладающих высоким уровнем потенциального плодородия.
Среди остальных почв выделяются почвы аллювиального происхождения, общая площадь которых составляет 5,0 процентов. Остальные почвы – солончаки, солонцы – представители почвенных типов южных почвенно-географических зон, формируются вкраплениями и пятнами. Одной из важных характеристик почв, определяющих уровень почвенного плодородия и урожайности районированных культур, является гранулометрический состав почв. Влияние гранулометрического состава на уровень плодородия разностороннее. Прежде всего, от гранулометрического состава зависит обеспеченность почвы валовыми формами макроэлементов – фосфора и калия. Обычно эти элементы сосредоточены в тонкодисперсной фракции, соответственно суглинистые и глинистые разновидности содержат больше этих элементов, а валовой их фонд обеспечивает и обеспеченность подвижным фосфором и калием пахотных почв для получения устойчивого и высокого урожая культур.
Гранулометрический состав регулирует водный режим почв. Прежде всего, богатые тонкодисперсными частицами почвы – суглинистые и глинистые обладают высокой влагоемкостью и соответственно запасом продуктивной влаги.
Гранулометрический состав также регулирует воздушный режим. Обычно в суглинистых и глинистых почвах тонкодисперсные частицы формируют микроагрегаты для создания структуры, а структурное состояние является залогом для оптимального пищевого, водного и воздушного режима почв. Вступая в связь с тонкодисперсной фракцией гумусовые кислоты, образующиеся в результате биохимических процессов из органического вещества, продлевают свою сохранность от промывания в нижележащие горизонты или разложения на минеральные компоненты, что содействует повышению гумусированности почв. Достаточно высокое содержание гумуса служит гарантом активной жизнедеятельности микроорганизмов и бактерий и грибов и др., то есть биологической активности почв.
Обеспеченность пахотных почв подвижными формами фосфора, калия и урожайность яровой пшеницы во временном ряду
В природе происходит круговорот веществ (элементов), компонентами которого является живое вещество, окружающая среда, представляющие собой сложные системы. Состояние и свойство этих систем предопределяют особенности связи между ними и их составляющими элементами.
В области сельскохозяйственного производства круговорот веществ и элементов обусловливается в системе почва - культурные растения, каждый элемент которой одновременно является сложной системой. Почва в отдельности также является сложной системой, состоит из компонентов, что в конечном итоге характеризуется свойствами, либо признаками.
Изложенное рассмотрим на конкретном примере содержания подвижного и доступного фосфора корневой системе яровой пшеницы. Подвижный фосфор представлен в анионной форме фосфорной кислоты, концентрация которого зависит от многочисленных факторов – от валового его содержания в составе твердой фазы почвы, от условий его перехода в доступное состояние. Скорость превращения недоступного фосфора корням растений в мобильное состояние происходит в оптимальных показателях тепла и влаги при участии также микроорганизмов.
Процесс поглощения корневой системой анионов фосфора также представляет сложный процесс. Прежде всего, для корневой системы необходимы определенные условия увлажнения почв, необходимый уровень теплового режима. Кроме того, процесс интенсивно проходит при наличии солнечных лучей.
Не менее важны кислотно-основные свойства почвенного раствора, определяющие интенсивность поглощения фосфат-иона через обменные реакции между корневой системой и почвенным раствором. Подтверждением сказанного служит оптимальные параметры рН для каждой культуры.
В агрохимической науке разработаны оценочные группировки на содержание доступных форм подвижного фосфора в почвах. Они дифференцируются по почвенным типам и соответственно по показателям рН, используются для оценки обеспеченности почв подвижным фосфором. Так, методика определения подвижного фосфора по Кирсанову применяется для оценки обеспеченности почв и культур на дерново-подзолистых и серых лесных почвах, формирующихся в достаточно хорошо увлажняемых почвах. В то же время на черноземах лесостепных, степных и каштановых почвах обеспеченность почв подвижным фосфором определяется по методу Чирикова. От дерново-подзолистых почв к каштановым почвам закономерно уменьшается степень увлажнения почв атмосферными осадками, что позволяет говорить о необходимости корректировки предельных значений оценочных показателей в зависимости от типовой принадлежности почв.
На фоне сказанного следует отметить, что атмосферные осадки распределены неравномерно не только по годам, но и в пределах вегетационного периода. Следствием этого природного процесса в пределах одной почвенной единицы имеет место изменение концентрации фосфат-ионов в зависимости от увлажнения. Во влажные годы она несколько ниже, чем в засушливые годы или периоды.
Соответственно концентрация макроэлементов питания может быть или низкой, либо оптимальной, либо даже чрезмерно высокой, угнетающей рост и развитие культуры, что в конечном итоге проявляется на количестве поглощенного макроэлемента и в последующем на продуктивности культуры.
Отмеченные изменения также проявляются на уравнениях регрессии между содержанием подвижного фосфора и урожайностью культуры, даже могут повлиять на тесноту связи, либо определять смену векторного знака коэффициентов в уравнениях.
Отмеченные особенности круговорота элементов питания агроценоза-ми в какой-то мере проявляются при анализе связи между агрохимическими показателями и урожайностью яровой пшеницы.
Теоретическая предпосылка связи между содержанием подвижных форм фосфора, калия была подтверждена в предыдущих разделах работы. Поглощаемые пшеницей эти элементы служат «структурными» элементами, что подтверждается их соотношением в составе товарной продукции.
Для изучения корреляционной связи между ними использованы временные ряды урожайности яровой пшеницы за 1970-2016 гг. и средневзвешенные показатели фосфора и калия по циклам обследования. Между циклами параметры макроэлементов получены путем интерполяции.
Обеспеченность макроэлементами питания (фосфором и калием) улучшается от первых наблюдений к последнему сроку. В таком же плане имеет место изменение урожайности яровой пшеницы. Такой характер изменения позволяет изучать связь между ними методом корреляции (табл. 18, рис. 2).
Детально не обсуждая отметим, что коэффициенты вариации изменяются в диапазоне 10,4-38,3%, что позволяет утверждать, что при синхронном положительном, отрицательном направлениях их изменений между ними может быть связь различной тесноты и знака.
Рассчитанные коэффициенты парной корреляции между макроэлементами питания и фактической, скользящей средней урожайностью яровой пшеницы занимают диапазон 0,48-0,91 (табл. 20). При этом содержание фосфора имеет более высокие коэффициенты – 0,68-0,91, чем содержание обменного калия – 0,41-0,62. Минимальные значения коэффициентов корреляции характеризуют фактическую урожайность пшеницы, а более высокие показатели скользящую среднюю урожайность пшеницы, что обусловлено устранением влияния погодного фактора, в нашем примере атмосферных осадков, на формирование продуктивности агроценозов.
Фактическая урожайность и ее производные – скользящие средние между собой имеют тесную связь с коэффициентами 0,86-0,96.
За исследуемый период обеспеченность почв подвижными элементами питания имеет общую тенденцию роста во времени, что связано с общим повышением насыщенности пахотных почв минеральными удобрениями, в составе которых всегда преобладают азотные удобрения, подкисляющие пахотные почвы. Результаты анализа парной корреляции между агрохимическими факторами и урожайностью яровой пшеницы позволяет рассматривать множественную корреляцию из 4-х показателей.
Агрохимические свойства – содержание подвижных форм фосфора, калия почв, с одной стороны, и фактическая урожайность яровой пшеницы, с другой, имеют положительную и статистически достоверную связь с коэффициентом 0,38 (табл. 21). При этом в уравнениях регрессии содержание обменного калия, содержание подвижного фосфора – отрицательный показатель (табл. 22). Смена знака этих факторов в расчетах урожайности яровой пшеницы является парадоксом, тем более они имеют в парной корреляции положительные знаки. Такое явление следует объяснять тем, что значение обеспеченности обменным калием во временной выборке превалирует влияния содержания подвижного фосфора, а также возрастания доли кислых почв в составе пашни в формировании продуктивности агроценозов. На фоне отмеченного, на наш взгляд, имеется оптимальное содержание подвижного фосфора, проявляется недостаток содержания обменного калия.
Баланс биофильных макроэлементов питания (азота, фосфора и калия)
В современном интенсивном земледелии баланс макроэлементов питания служит критерием использования органических и минеральных удобрений на почвенное плодородие и урожайность сельскохозяйственных культур. При положительном балансе элементов, обеспеченность ими почвы возрастает, что обусловливает положительные изменения почвенного плодородия. Следствием этого процесса является повышение урожайности сельскохозяйственных культур. При отрицательном балансе агрохимические свойства изменяются в обратном направлении, и по истечении определенного времени урожайность культур снижается (Петербургский, 1979; Минеев, 2004). При этом точность балансовых расчетов уменьшается по мере увеличения площади объекта, то есть от отдельного поля до государства.
Баланс элементов питания обычно проводят по отдельным агрохимическим свойствам - по содержанию гумуса, подвижным элементам питания – азота, фосфора и калия, карбонатов и др. (Ломако, Бакиров, 2007; Справочник агрохимика, 2013; Справочник агрохимика РТ, 2015).
Балансы различаются по размеру земельных участков. Расчеты проводят в пределах одного севооборотного поля, севооборота, отделения (бригады), землепользования, муниципального образования, области, республики, региона и государства (Петербургский, 1979; Минеев, 1999, 2006; Ивойлов, 2015).
Баланс элементов питания характеризует не только пространственные условия реализации, но и временной интервал. Часто баланс элементов питания рассчитывают за вегетационный период, за ротацию севооборота, за пятилетку или за определенный период длительностью от нескольких лет до нескольких десятилетий. В наших работах они осуществлены по циклам агрохимического обследования (Справочник агрохимика, 2013; Справочник агрохимика РТ, 2015).
В работе рассматривается баланс элементов питания на примере Му-слюмовского муниципального образования района, занимающего среднюю полосу лесостепной зоны с преобладанием черноземов выщелоченных и серых лесных почв, которым характерен периодически промывной водный режим. Изучается баланс под яровой пшеницей, являющейся районированной культурой. Баланс элементов питания охватывает почти полувековой период – за 1970-2017 годы.
В таблице 34 представлен результат упрощенного расчета макроэлементов питания – азота, фосфора и калия. Положительную статью этих элементов представляют минеральные и органические удобрения, применяемые на полях объекта в течение всего изучаемого периода исследования. Так за 1970-2016 годы в составе минеральных удобрений – азотные составили в размере 33,4 кг/га д.в., а в составе органических – 16,7 кг/га д.в. Под сельскохозяйственными культурами доступность минерального азота высокая и составляет 50-70 процентов. Из-за высокой растворимости и отрицательной поглотительной способности минерального азота в форме нитратов, азотные удобрения не имеют последействия в лесостепной зоне, легко вымываются из пахотного горизонта. Периодически промывной водный режим лесостепной зоны, где в средней ее полосе осадки выпадают чаще, что чаще позволяет пройти почвенному раствору до грунтовой воды. Как, правило, на второй год уже пахотный и ниже лежащие горизонты не содержат минерального азота. Однако содержание азота в форме нитратов может накапливаться в подпахотных горизонтах и ниже после резко засушливых сельскохозяйственных годов.
Основные запасы азота сосредоточены в атмосфере в молекулярной форме. В почвах основные запасы – в составе гумуса, являющегося хранилищем азота (Умаров и др., 2007; Гамзиков, 2013; Ивойлов, 2015), где он находится в аммонийной форме. Вместе с тем симбиотические почвенные микроорганизмы переводят молекулярный азот в аммонийную форму. Ежегодный размер фиксированного азота в ходе ассоциативной азотфиксации зависит от оптимального температурного режима и увлажнения, что имеет место в тропическом поясе, соответственно здесь количество фиксированного азота доходит до 100 кг/га. В умеренном поясе, куда входит наша лесостепная зона количество фиксированного азота доходит до 30-50 кг/га (Умаров и др., 2007).
С учетом отмеченного положительный баланс достигает до 80,1 кг/га. Отчуждаемое количество азота из почвы представлено в составе урожая яровой пшеницы. Средняя урожайность за этот период обследования составляет 20,3 ц/га. После вычета посевной нормы (1,8 ц/га) урожаем отчуждается 64,8 кг/га азота. На фоне учета фиксированного азота баланс положителен, а без учета симбиотической азотфиксации отрицателен, восполняе-мость выноса урожаем составляет 62,5 процента. Вместе с тем, между почвой и атмосферой круговорот азота идет постоянно, в основном в направлении отчуждения из почвы. К данной статье относится вымывание азота вниз по почвенному профилю. Потеря азота имеет место также в составе поверхностного стока мелкозема с содержанием гумуса. Эти потери значительны по объему и требуют детального изучения на стационарных участках. Также значительное количество азота переходит газообразный азот за счет процессов окисления и восстановления.
С учетом таких потерь азота из почвы на практике его минеральные удобрения вносят больше требуемой нормы в целях формирования высокого и устойчивого урожая яровой пшеницы.
Основными источниками двух других биофильных элементов в почвах – подвижного фосфора и калия служат горные породы почвообразующего субстрата, они в основном находятся в составе минералов, соответственно переход этих элементов в подвижные формы связано с разрушением и выветриванием минералов.
Во все времена земледелия органические удобрения в форме традиционного навоза служили почти единственным мощным средством в повышении почвенного плодородия. Они не утратили свою значимость и в наше время. После вступления земледелия на путь интенсификации еще появляется новый источник – минеральные удобрения. Наши обобщения показывают, что минеральные удобрения в современном земледелии имеют наибольший вес в оптимизации почв подвижными элементами, особенно в формировании высокой степени обеспеченности почв фосфором.
За исследуемый период за счет внесения минеральных удобрений, среди которых 30% фосфорные, пахотные почвы обогатились на 20,0 кг д.в. Р2О5. Использованные органические удобрения в фонд этого элемента еще внесли свою долю в размере 8,4 кг/га д.в. В среднем за этот период пахотный горизонт внесли 28,4 кг/га д.в. Р2О5.
Дополнительным источником улучшения обеспеченности подвижным фосфором было применение фосфоритной муки на кислых почвах из расчета 400 кг/га д.в. Р2О5 на площади 11 тыс. га. Расчеты показывают, что за счет фосфоритования пахотные почвы обогатились на 1,1 кг/га д.в. Р2О5. Таким образом, в пахотные почвы внесено 29,5 кг д.в. Р2О5.
Отчужденное количество урожаем яровой пшеницы фосфора составляет 22,2 кг/га д.в., а степень восполнения составляет 132,9% или 7,3 кг Р2О5. Одновременно такой баланс фосфора оказывает положительное влияние на динамику обеспеченности почв подвижным фосфором.
В составе примененных минеральных удобрений калийные составляют 20 %, отсюда ежегодно в пахотный горизонт вносят 13,4 кг д.в. К2О. В составе органических удобрений в почву вносится 16,7 кг д.в. К2О. Кроме того, в процессе фосфоритования, где содержится до 1,8% окиси калия, пахотные почвы обогащаются на 0,2 кг д.в. калием. Отсюда, в пахотный горизонт внесено 30,3 кг д.в. К2О. За этот срок урожаем яровой пшеницы отчуждается 46,3 кг/га д.в. К2О. Баланс отрицательный, баланс имеет 16,0 кг д.в.
Несмотря на имеющийся отрицательный баланс калия в пахотных почвах наблюдается постоянное повышение содержания обменного калия. Такое парадоксальное явление объясняется связано выделением подвижного калия при выветривании горных пород и минералов, пополнением за счет этого фонда обменного калия.
При учете азотфиксации баланс NPK имеет положительный знак, степень восполнения составляет 105,0%, а без учета этого процесса - отрицательный баланс, степень восполняемости равна 82,4 процента.