Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Влияние длительного применения удобрений и орошения на свойства почвы и продуктивность севооборота (обзор литературы) 7
1.1. Водный режим почвы и водопотребление культур при орошении и удобрении 7
1.2. Влияние удобрений и орошения на агрофизические свойства почвы 13
1.3. Влияние систематического применения удобрений и орошения на агрохимические свойства почвы 17
1.4. Влияние удобрений и орошения на урооїсай культур и продуктивность севооборотов 26
1.5. Влияние различных норм удобрений и орошения на урожай и качество зерна озимой пшеницы и кукурузы 34
1.6. Баланс питательных веществ в севообороте в зависимости от орошения и систем удобрения 40
Глава 2. Условия и методика проведения исследований 47
2.1. Цель и задачи исследований 47
2.2. Климатические и погодные условия проведения исследований
2.3. Почвенные условия проведения исследований 56
2.4. Методика проведения исследований 60
2.5. Химический состав поливной воды 71
Глава 3. Влияние 50-летнего применения удобрений и орошения на морфологические и агрофизические свойства почвы 74
3.1. Изменение морфологических свойств почвы при длительном удобрении и орошении 74
3.2, Агрофизические и водные свойства почвы при длительном удобрении и орошении 81
Глава 4 Влияние длительного применения удобрений и орошения на агрохимические свойства почвы 97
4.1, Изменения содержания гумуса при длительном применении удобрений и орошения и его баланс 97
4.2. Влияние длительного применения удобрений и орошения на агрохимические показатели почвы 111
Глава 5. Водный режим почвы и водопотребление сельскохозяйственных культур севооборота 132
5.1. Запасы продуктивной влаги, динамика влаэ/сности почвы и суммарное водопотребление сельскохозяйственных культур в разных условиях водообеспеченности 132
5.2. Среднесуточное водопотребление озимой пшеницы и кукурузы по фазам, развития 142
5.3. Коэффициенты водопотребления культур севооборота и окупаемость поливной воды 149
Глава 6. Урожай сельскохозяйственных культур и продуктивность севооборота при применении минеральных и органо-минеральных систем удобрения 158
6.1. Урожай культур севооборота в условиях естественного увлажнения и при орошении 153
6,2. Влияние совместного применения удобрений и орошения на продуктивность севооборота 170
Глава 7. Влияние удобрений и орошения на качество урожая культур севооборота
7.1. Изменение качества продуїщии культур севооборота 178
7.2. Сбор сырого протеина с урожаем основной продукции за пятую ротацию севооборота 18 8
Глава 8. Баланс питательных веществ за третью и пятую ротации севооборота и расчет систем удобрения 192
8.1. Вынос азота, фосфора и калия культурами севооборота. 192
8.2. Баланс питательных элементов в севообороте, метод определения норм органических и минеральных удобрений и его реализация 203
Глава 9. Экономическая и энергетическая эффективность применения удобрений и орошения за пятую ротацию севооборота (1990-1999 гг.) 219
Выводы 236
Предложения производству 244
Список использованной литературы
- Влияние систематического применения удобрений и орошения на агрохимические свойства почвы
- Почвенные условия проведения исследований
- Агрофизические и водные свойства почвы при длительном удобрении и орошении
- Влияние длительного применения удобрений и орошения на агрохимические показатели почвы
Введение к работе
Центральное Предкавказье, как и весь Южный регион Российской Федерации, является одним . из крупнейших производителей растениеводческой и животноводческой продукции. Здесь в 60-80 годы XX века были созданы новые высокопродуктивные сорта и гибриды сельскохозяйственных культур, технологии их выращивания, включающие применение высоких доз минеральных удобрений, орошения и различных ядохимикатов.
За годы социально-экономических преобразований в России
сельскохозяйственное производство в этом регионе в значительной степени
утратило свои позиции из-за резкого снижения потребления материально-
технических ресурсов в связи с высокой стоимостью удобрений, средств
защиты растений, новой техники и агрегатов, энергоресурсов. Это
способствовало возврату к экстенсивным методам ведения земледелия, что
явилось основной причиной снижения эффективности
сельскохозяйственного производства (уменьшения продуктивности растениеводства и животноводства), падения плодородия почв, особенно в орошаемых условиях.
В настоящее время в сельском хозяйстве Центрального Предкавказья и страны в целом заложены основы многоукладной экономики, а также пришло понимание необходимости интенсификации сельскохозяйственного производства, неотъемлемой частью которого является химизация земледелия. Нельзя недооценивать и роль орошения в повышении урожайности сельскохозяйственных культур во всех регионах, но особенно в Южном, наиболее сильно подверженном воздействию засух.
Кабардино-Балкарская республика (КБР) расположена на северных склонах Главного Кавказского хребта и является частью Центрального
Предкавказья. Черноземы обыкновенные карбонатные в общей площади пашни КБР занимают наибольшую часть (более 80 тыс. гектаров) и распространены в основном в степной зоне. По своей характеристике эти почвы идентичны черноземам обыкновенным всего Центрального Предкавказья (Простаков, 1964; Трофименко, 1971; Фиапшев, Хачетлов, 1971). В республике при общей площади пашни 300 тысяч га 127 тысяч га занимают орошаемые земли, поэтому здесь необходимо уделить внимание разработке технологий рационального использования оросительной воды, оптимизации режима орошения. Интенсификация сельскохозяйственного производства предполагает не только химизацию, но и искусственно регулируемое водоснабжение растений.
В этой связи актуальным является обоснование агросистемы с оптимальным режимом питания и орошения, которая будет служить резервом роста продуктивности сельскохозяйственных культур при хорошем качестве продукции и обеспечит сохранение и расширенное воспроизводство почвенного плодородия. Для решения этой проблемы необходимо изучение взаимодействия управляемых технологических факторов, что возможно только в длительных полевых стационарных экспериментах, проводимых в конкретных почвенно-климатических условиях.
Учитывая актуальность и большую важность обозначенной проблемы, мы в течение продолжительного периода (с 1972 по 1999 год) проводили исследования в длительном стационарном полевом опыте Кабардино-Балкарского научно-исследовательского института сельского хозяйства по изучению эффективности применения минеральных и органо-минеральных удобрений в севообороте при орошении и в условиях естественного увлажнения.
Влияние систематического применения удобрений и орошения на агрохимические свойства почвы
Длительными опытами в Российской Федерации и за рубежом установлено, что систематическое применение органических и минеральных удобрений значительно изменяет агрохимические свойства почвы. Размеры изменений зависят от свойств почвы, климатических условий, состава культур, норм и форм применяемых удобрений.
Одним из основных показателей агрохимических свойств почвы является содержание в ней гумуса.
Гумусом называют сложный динамический комплекс органических соединений, образующихся при разложении и гумификации органических остатков в почве (Кауричев 1986). Развитие земледелия с целью увеличения продуктивности возделываемых культур невозможно без повышения его интенсификации, что тесно связано с воспроизводством гумуса в почвах. Необходимо отметить, что если ранее основная функция гумуса сводилась к обеспечению растений элементами питания, то при интенсификации земледелия взаимосвязь между содержанием гумуса в почвах и урожайностью ослабевает, так как растения получают необходимые питательные элементы с удобрениями (Шарков, 1987, Лебедева, 1989). И на
первый план выходят такие функции гумуса, как способность регулировать агрофизические, водные свойства почвы, инактивировать тяжелые металлы, пестициды, задерживая их в почвенной массе, уменьшая возможность поступления в растительную продукцию, поверхностные и внутрипочвенные воды, воздух атмосферы, а также восполнение недостатка какого-либо элемента питания, недовнесенного с минеральными и органическими удобрениями (Кононова, 1963; Шевцова, 1966, 1988; Шевцова и др., 1992).
A.M. Лыков (1979) отмечал, что при интенсивном земледелии важнейшим интегральным показателем высокого плодородия и окультур енно сти почвы является содержание в них органического вещества. Необходимость производственного регулирования баланса гумуса в почве теоретически обосновывается прямой зависимостью физических, физико-химических и технологических свойств пахотной почвы от содержания в ней гумуса; решающим влиянием органического вещества на биологические свойства почвы; участием органического вещества в превращении внесенных в почву с удобрениями питательных элементов, в частности азота. В работах Л.К.Шевцовой, Д.М.Сизовой (1974), А.Т.Тищенко (1974), С.Х. Дзанагова (1994, 2003), Н.А.Проныда, Л.Г.Романовой (2003), показано, что длительное применение навоза приводит к увеличению содержания гумуса в пахотном слое разных типов почвы (дерново-подзолистой, серой лесной, черноземной и сероземной). Минеральные удобрения не оказывают существенного влияния на содержание гумуса в черноземной почве.
В длительном опыте Мироновского НИИ селекции и семеноводства озимой пшеницы по изучению эффективности эквивалентных норм навоза и минеральных удобрений на малогумусном слабовыщелоченном мощном черноземе установлено (Гетманец и др., 1973), что значительные изменения в содержании гумуса в слабовыщелоченном мощном черноземе произошли уже в первые годы применения удобрений. В 1926 г. по навозной системе удобрения (8 т/га ежегодно) гумуса в пахотном слое почвы содержалось на 0,42% больше по сравнению с неудобренным контролем и минеральной системой удобрения. Внесение эквивалентной нормы минеральных удобрений не оказало влияния на содержание органического вещества в почве. Отмеченные различия в содержании гумуса между отдельными вариантами системы удобрения являлись стабильными в течение 40 лет и обнаруживались также в нижележащих горизонтах.
Многолетнее систематическое внесение удобрений привело также к значительному обогащению почвы фосфором, особенно его легкорастворимыми формами в слое 0-40 см.
В другом длительном опыте этого же института (Степаненко, 1980) с 1929 г. изучали действие навоза, минерального и навозно-минерального удобрений. Варианты опыта; 1) без удобрений; 2) 12 т/га навоза; 3) N37P37K37; 4) N74P74K74; 5) 12 т/га навоза + N37P37K37. При внесении 12 т/га навоза в течение 45 лет содержание гумуса, по сравнению с исходным, возросло в среднем по четырем севооборотам на 0,27%. В неудобренной почве и при применении минеральных удобрений содержание гумуса в пахотном слое почвы сохранилось на исходном уровне.
В длительных опытах, проводимых Кишиневским СХИ, удобрения при систематическом внесении снижали темпы минерализации и потери гумуса почвы (Загорча, 1983). При ежегодном внесении 6 т/га навоза потери гумуса уменьшились до 0,24% от исходного содержания, при эквивалентной норме NPK или навозно-минерального удобрения ежегодно терялось соответственно 0,44 и 0,40% первоначального количества гумуса.
Почвенные условия проведения исследований
Почвенный покров степной зоны Центрального Предкавказья представлен в основном почвами черноземного типа. Наибольшее распространение имеют темно-каштановые, южные, обыкновенные черноземы и лугово-черноземные почвы.
Темно-каштановые почвы характеризуются буровато-серой окраской, глыбисто-комковато-пылеватой структурой, мощностью гумусового слоя 60-70 см, уплотненностью горизонта В. Содержание гумуса в них чаще зсего находится в пределах 3,0-3,5%, а валового азота 0,18-0,23%. Запасы гумуса в метровом слое почвы достигают 230-250 т/га. Валового фосфора в пахотном горизонте обнаружено 0,13-0,18%, а калия - около 2,3%о, Поглощающий комплекс почвы в основном насыщен катионами кальция, на долю ионов натрия приходится около 2% емкости поглощения. Значительная карбонатность обусловливает щелочность темно-каштановых почвы (рН -7,5-8,0) (Фиапшев, Хачетлов, 1971).
Южные черноземы, располагаясь на границе черноземной и каштановой зон, характеризуются также незначительным содержанием гумуса (3,5-4,5%) и азота (0,17-0,25%), запасы их составляют соответственно 250-325, 13-15 т/га. Содержание карбонатов высокое, в горизонте А составляет 3,0-4,0%. В поглощающем комплексе почв преобладают катионы кальция.
Лугово-черноземным почвам свойственна растянутость гумусовых горизонтов, в среднем равная 70 см. Почвы имеют агрономически ценную структуру, недостаточность атмосферного увлажнения порой здесь восполняется грунтовыми водами. Содержание гумуса 4,5-7,0%, валовое содержание азота доходит до 0,4%. Запасы гумуса в метровом слое почвы 320-420, а азота более 20 т/га. Количество СаСОз в верхнем горизонте достигает 7,0%, рН водной суспензии часто превышает 8 единиц. Сумма поглощенных оснований составляет 25-40 мг-экв. на 100 г почвы (Фиапшев, Хачетлов, 1971; Фиапшев, Кумахов, 1982).
Обыкновенные черноземы имеют более широкое распространение, чем вышеназванные. Основными провинциальными особенностями их являются: невысокая гумусность горизонта А (4-6%) при значительной мощности горизонтов А + В (до 100 см и более); выделение щелочноземельных карбонатов в форме псевдомицелия; хорошо выраженная макро- и микроструктура; значительное содержание азота, фосфора и калия; сильная перерытость землероями и дождевыми червями; большая рыхлость и высокая пористость.
При рассмотрении профиля этих черноземов обращает на себя внимание однообразная монотонная темно-серая окраска пахотного слоя, постепенно угасающая с глубиной, и отсутствие отчетливо выраженной зернистой структуры. Общие запасы гумуса составляют 300-480, а азота 14-15 т/га. Отношение C:N узкое (9-10), что указывает на обогащенность гумуса азотом. Растворимость гумуса незначительная. В составе гумуса преобладают гуминовые кислоты - 34-45%, фульвокислот - 17-20%, гуминов - 28-35%. Реакция почвенного раствора нейтральная или слабощелочная (рН-7,1-7,8). Сумма поглощенных оснований (Са, Mg, Na) достигает 30-40 мг-экв. на 100 г почвы. Из этого количества более 80% приходится на долю поглощенного кальция. С глубиной отмечается тенденция относительного уменьшения катионов кальция и увеличения магния. Величина плотного (сухого) остатка в пахотном слое составляет в среднем 0,05%, в нижних слоях эта величина возрастает, достигая в конце второго метра 0,16%, а местами 0,80-1,40%. Увеличение сухого остатка в нижних горизонтах обусловливается в основном накоплением сульфата кальция, магния и натрия, а также бикарбонатов кальция и магния. Содержание хлоридов по всему профилю не превышает тысячных долей процента.
По гранулометрическому составу характеризуемые почвы - тяжело или легкосуглинистые пылевато-иловатые (по классификации Н.А. Качинского). Физическая глина составляет в пахотном слое 57-80%. Общая порозность достигает значительных величин - около 55%. Содержание недоступной влаги в верхней части профиля равно 14,0-14,6%, а в горизонте С - 10,0% (Фиапшев, Хачетлов, 1971; Трофименко, 1971; Фиапшев, Кумахов, 1982).
Валовые содержания окислов алюминия и железа чрезвычайно однородны и колеблются в узких пределах по профилю. Количество СаО + MgO составляет в горизонте А - 4,62 - 5,87%, горизонте В - от 8,81 до 9,8% и горизонте С - от 8,71 до 9,70%, что связано с увеличением количества извести с глубиной. КгО в пахотных горизонтах содержится более 2%, а Na20 - около 1,4%. Такое содержание калия согласуется с минералогическим составом черноземов. Содержание Р2О5 составляет в пахотных горизонтах 0,14 - 0,20%, азота 0,21 - 0,35%.
Плотность твердой фазы почвы, как известно, находится в зависимости от удельной массы преобладающих в почве минералов и от количества органического вещества. По профилю обыкновенных черноземов плотность твердой фазы изменяется от 2,60 в горизонте А до 2,76 г/см3 в материнской породе. Водные свойства их благоприятны. Величина наименьшей влагоемкости (НВ) поддерживается по профилю на уровне 30%, Наибольший запас продуктивной влаги в метровом слое почвы при капиллярном насыщении может достигать 338 мм.
Агрофизические и водные свойства почвы при длительном удобрении и орошении
Физические свойства почвы и физические процессы, протекающие в ней, являются одними из важнейших факторов почвенного плодородия. Значение физических свойств почвы возрастает при интенсификации земледелия, причем неблагоприятные физические показатели часто являются лимитирующими факторами повышения плодородия и урожайности. Органические и минеральные удобрения оказывают заметное влияние на агрофизические свойства почвы. Орошение также является фактором, изменяющим водные и агрофизические показатели почв. Поэтому оптимизация физических свойств почвы является важнейшим условием повышения продуктивности севооборота и воспроизводства плодородия чернозема обыкновенного.
Сложение почвы характеризуется величинами плотности (объёмная масса), плотности твердой фазы (удельная масса) и показателями пористости. Многочисленными исследованиями установлено, что растения страдают как при излишне рыхлом, так и при плотном сложении почвы. Наиболее благоприятные условия для большинства культурных растений, по мнению многих исследователей, создаются при плотности от 1,0 до 1,3 г/см3. Эта величина, как правило, соответствует 50-55% общей пористости (Качинский, 1947, Кузнецова, 1979, Лифаненкова, 1989 и др.).
Одни авторы отмечают, что внесение удобрений, особенно минеральных, не оказывает существенного влияния на основные показатели физических свойств почвы - плотность и величину пористости (Дояренко, 1963; Гниненко, 1968; Кудзин, Гниненко, 1969; Захаревский, 1978), другие считают, что изменение плотности и пористости почвы наблюдается при длительном применении не только органо-минеральных, но и минеральных удобрений (Kohn, 1975; Williams, 1977; Медведев, 1978; Бижоев, 1988; Лифаненкова, 1989).
В наших исследованиях, за длительный период проведения опыта на плотность сложения почвы и на её пористость наиболее существенное влияние оказало орошение. Сравнение почвы контрольного варианта (без удобрений, без орошения) с неудобренным орошаемым показало увеличение её плотности при орошении по всем слоям почвы на 0,12 - 0,16 г/см3. Пористость при орошении уменьшалась и была по всем слоям почвы ниже 50%. В среднем в слое 0-60 см уменьшение пористости от длительного орошения по сравнению с контролем составило 4,7% (табл. 8).
Применение минеральных и органо-минеральных удобрений на богаре и в орошаемых условиях по-разному влияло на плотность почвы. Рекомендуемая минеральная система удобрения (N69P63K45) и расчетная (№4іРбвКбо) за 5 ротаций севооборота практически не оказали влияния на плотность сложения в слое почвы 0-60 см, хотя при орошении в верхнем 0-20 см слое почвы необходимо отметить тенденцию к уменьшению плотности до 1,26 г/см3 и увеличению пористости до 50,0%. Органо-минеральные системы удобрения пололштельно влияли на физическое сложение орошаемой почвы. Ежегодное применение 8 т/га навоза + N44P42K24 (рекомендуемая система удобрения) по сравнению с орошаемым неудобренным вариантом уменьшило плотность почвы в слое 0-60 см на 0,13 г/см3 и увеличило пористость на 4,3%. При применении расчетной органо-минеральной системы удобрения (15 т/га навоза -г N87P36K7), где ставилась цель получения планируемой продуктивности севооборота и воспроизводства почвенного плодородия, увеличение доли органики в системе удобрения способствовало улучшению показателей физических свойств почвы: плотность 0-60 см слоя почвы уменьшилась по сравнению с орошаемым неудобренным вариантом на 0,16 г/см3, пористость увеличилась на 4,6%.
Плотность твердой фазы почвы при применении удобрений на неорошаемом и орошаемом вариантах не изменилась. Одним из важных свойств почвы является гигроскопичность -способность почвы поглощать парообразную воду из атмосферы.
Влияние длительного применения удобрений и орошения на агрохимические показатели почвы
Исследователями уделено большое внимание вопросу воздействия минеральных и навозно-минеральных удобрений на содержание подвижных форм калия в черноземе обыкновенном. (Простаков, Носов, 1964; Зверева, 1984,1987; Шапошникова и др., 1990; Дзанагов, 1994; Коробской, 1995; Кцоев, 1997; Шомахов, 1998; Бесланеев, 2003 и др.). Результаты их опытов также свидетельствовали, что между различными формами соединений калия существует обратимое динамическое равновесие.
Материалы наших исследований показали, что равновесие между типами калийных соединений непрерывио нарушается различными факторами, в том числе влажностью почвы и применяемыми удобрениями. В неудобренной в течение 48 лет почве сравнивали изменение содержания KiO за 20 лет (с 1974 - 1976 гг. по 1993-1995 гг.). Фактически за этот период оно не изменилось (табл. 19, 20, рис. 7,8), то есть пополнение доступного растениям калия происходило постоянно за счет перехода его из недоступной фиксированной формы. В наших исследованиях длительное применение удобрений оказывало влияние на содержание обменного и водорастворимого калия в неорошаемой и орошаемой почве. За двадцать лет (с 1974-1976 гг. по 1993-1995 гг.) содержание подвижного КгО при применении минеральных удобрений увеличилось на 32-58 МГ/КГ, при применении органо-минеральных удобрений увеличение подвижного калия незначительно - 17-38 мг/кг почвы. Следовательно, наиболее значительные изменения в содержании подвижного КэО происходили в период с 1948 г. по 1974-1976 гг. В целом за 48 лет проведения опыта применение рекомендуемой МИНераЛЬНОЙ СИСТеМЫ удобрения (N69P63K45) повысило содержание подвижного калия в верхнем 0-20 см слое неорошаемой почвы под озимой пшеницей на 105 мг/кг, под кукурузой на 123 мг/кг по сравнению с контролем. В орошаемой почве это повышение составило под озимой пшеницей 74 мг/кг, под кукурузой - 132 мг/кг.
Систематическое внесение рекомендуемых оргаыо-минеральных удобрений (8 т/га навоза + N44P42K24) ещё больше увеличило содержание подвижного КгО: в неорошаемых условиях под озимой пшеницей - на 150 мг/кг, под кукурузой - на 151 мг/кг почвы, при орошении - на 142 и 148 мг/кг почвы соответственно. Применение в течение 10 лет (с 1986 по 1995 гг.) расчетной минеральной (Ni4ip6sK6o) и расчетной органо-минеральной (15 т/га навоза + N87P36K7) систем удобрения при сравнении с рекомендуемыми удобрениями не повлияло на содержание подвижного калия в почве,
С углублением вниз по профилю почвы разница в содержании подвижного калия на контроле и удобренных вариантах сокращалась, что четко отражено нарис, 7,8.
В результате длительного воздействия на почву различных систем удобрения обеспеченность её подвижным калием стала различной: на контрольном варианте - средней (Ш класс), при применении рекомендуемой и расчетной минеральных систем удобрения - повышенной (IV класс), при применении рекомендуемой и расчетной органо-минеральной систем удобрения - высокой (V класс).
Анализ динамики изменений других агрохимических свойств почвы показал, что реакция почвенного раствора в 1970, 1979 и 1996 гг. по вариантам минеральных удобрений и орошения оставалась без изменений: рН води. 7,0 - 7,3 (табл. 21). При применении органо-минеральных удобрений в течение 48 лет также не наблюдали изменений реакции почвенного раствора (рН водн. 7,0 - 7,2).
При применении минеральных и органо-минеральных удобрений, образовании минеральных солей при разложении органического вещества, изменении водного режима при орошении равновесие между катионами раствора и почвенно-поглощающего комплекса смещается: одни катионы переходят из раствора в поглощенное состояние, другие из поглощенного состояния в почвенный раствор. Проведенные нами исследования свидетельствуют о том, что применение минеральных удобрений в течение 48 лет не влияло на сумму поглощенных оснований в орошаемой и неорошаемой почве. Органо-минеральные удобрения за этот период увеличили сумму поглощенных оснований на 2,3 и 2,4 мг - экв/100 г почвы. Процентное содержание кальция и магния в поглощенных основаниях соответствовало чернозему обыкновенному.
Результаты анализа полученных экспериментальных данных позволили сделать вывод о том, что при длительной сельскохозяйственной эксплуатации чернозема обыкновенного без применения удобрений потенциальное плодородие его снизилось; уменьшилось содержание гумуса, нитратного азота, подвижных форм фосфора и калия.
При длительном применении удобрений эти негативные изменения заметно ослабевали, особенно при применении навозно-минеральных удобрений, где применение расчетной системы способствовало бездефицитному балансу гумуса почвы и улучшению других агрохимических свойств её.
