Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 5
2. Объект, задачи, условия и методика исследований 30
3. Последействие бесподстилочного навоза на продуктивность зерновых культур в звене полевого севооборота 41
3.1. Озимая пшеница 41
3.2. Ячмень 54
3.3. Овес 60
3.4. Звено севооборота 65
4. Использование озимой пшеницей азота и других факторов плодородия почвы (опыте 15N) 76
5. Вынос основных элементов питания зерновыми культурами 85
6. Динамика агрохимических показателей почвы 98
7. Агроэкологическая, энергетическая и экономическая оценка последействия бесподстилочного навоза 120
Выводы 131
Практические предложения 133
Список литературы 134
Приложения 157
- Звено севооборота
- Использование озимой пшеницей азота и других факторов плодородия почвы (опыте 15N)
- Вынос основных элементов питания зерновыми культурами
- Агроэкологическая, энергетическая и экономическая оценка последействия бесподстилочного навоза
Введение к работе
В связи с массовым переводом животноводства на промышленную основу и внедрением более экономичного бесподстилочного метода содержания животных, происходившим во второй половине прошлого столетия, существенно изменилось качество навоза. Бесподстилочный навоз стал преобладать в фонде органических удобрений, применяемых в земледелии страны. Однако еще долгое время в научных исследованиях, преимущественно в длительных опытах, основное внимание уделялось действию и последействию традиционного органического удобрения -подстилочного навоза и компостов на его основе. Заложенный лабораторией органических удобрений ВИУА и проведенный под руководством П.Я. Семенова один из первых длительных опытов по систематическому применению бесподстилочного навоза в кормовом севообороте (1972-1987гг.) на ЦОС ВИУА позволил получить уникальные по своей значимости материалы действия данного удобрения на плодородие дерново-подзолистой суглинистой почвы и продуктивность возделываемых культур. Вместе с тем, по объективным причинам обобщение этих материалов носило фрагментарный характер, т.е. было недостаточным для комплексной оценки действия бесподстилочного навоза на основные параметры агроценоза. Потребовалось также изучение последействия навоза на сельскохозяйственные культуры с целью определить влияние на их продуктивность созданных ранее в опыте уровней плодородия почвы. Подобный подход позволяет дать более обоснованное заключение об удобрительных свойствах бесподстилочного навоза, его влиянии на плодородие почвы, урожайность и качество сельскохозяйственных культур, другие показатели, определяющие его эффективность,
В настоящей диссертационной работе представлены результаты исследований по изучению последействия бесподстилочного навоза (опыт
90а, 1988-1992гг.) на проективность звена полевого севооборота и плодородие почвы, сформированное в длительном полевом опыте 90 (1972-1987 гг.)
За помощь, оказанную в этой работе, и предоставленные материалы автор выражает глубокую благодарность заведующей лабораторией органических удобрений ВИУА профессору Г.Е. Мерзлой, сотрудникам этой лаборатории Н.И. Володарской, Б.Г. Вересневу, И.А. Нестерович, Т.И. Матюшиной, А.А. Лежниной, заведующему лабораторией органических удобрений ЦОС ВИУА В.Е. Ефремову. В диссертации использованы материалы, опубликованные ранее Б.Г. Бересневым, Н.В. Беловой, С.А. Семиной и др.
Звено севооборота
Анализ урожайности культур звена севооборота показывает, что наибольшее последействие органические и минеральные удобрения проявляли в первый год, т.е. на первую культуру звена - озимую пшеницу. В среднем по опыту 90а прибавки урожая по сравнению с неудобрявшимся ранее контролем составили 54,3%, тогда как на ячмене прибавка равнялась 15,0%, а на овсе 8,6% при средней по 3 культурам 28,5% (таб. 18). При этом на озимой пшенице достоверное повышение урожайности прослеживается от последействия последовательно возрастающих доз бесподстилочного навоза по вариантам 2 (1 доза), 3(2 дозы), 5(4 дозы), 6(5 доз). Минеральные удобрения в последействии хотя и дали положительный результат по сравнению с контролем, но были несколько менее эффективными, чем эквивалентная, т.е. двукратная, доза навоза (при отсутствии достоверной На второй культуре звена севооборота - яровом ячмене достоверные, по отношению к контролю, прибавки урожая получены только в вариантах, где применялся бесподстилочный навоз.
Вариант с последействием минеральных удобрений (NPK, эквивал. 2 дозам навоза) по урожайности достоверно не отличался не только от соответствующего варианта с бесподстилочным навозом, но даже от контрольного варианта, хотя на уровне тенденции и был несколько лучшим. Важно также отметить, что при выращивании ячменя все варианты с бесподстилочным навозом по сбору зерна не различались между собой на статистически достоверном уровне. По овсу, несмотря на сохранение тенденции повышения урожайности от применяемых ранее органических и минеральных удобрений, вообще не получено значимых различий между вариантами опыта, включая сравнение с контролем, т.к. по критерию Фишера (ф Fos) эти различия статистически не достоверны. Иначе, последействие длительно применявшихся удобрений в опыте 90 на третий год было сведено к минимуму. В среднем по трем культурам звена севооборота это последействие проявилось на статистически значимом уровне в отношении всех видов и доз удобрений, включая минеральный фон, по сравнению с контролем, т.к. прибавки зерновых составили от 4,4 до 8,1 ц/га при НСРоз - 2,0 ц/га. Прибавки урожая от последействия возрастающих доз бесподстилочного навоза имели достоверные различия при сравнении с предыдущей дозой, включая нулевую, по вариантам 2(1 доза), 4(3 дозы), 6(5 доз). Варианты с эквивалентами питательных веществ (вар.2,8,9) дали в среднем по трем культурам примерно одинаковые урожаи - от 27,2 до 28,6ц/га. Фосфорные удобрения, вносимые ранее на фоне 2- кратной дозы бесподстилочного навоза, ни на одной культуре не дали достоверного увеличения урожайности в последействии по годам, а также и в среднем за годы исследований. На уровне тенденции отмечается некоторое положительное влияние их на урожайность озимой пшеницы и ячменя, хотя статистически и недостоверное. По овсу, наоборот, отмечено даже снижение продуктивности культуры от внесения суперфосфата на фоне двукратной дозы бесподстилочного навоза по сравнению с вариантом последействия двукратной дозы бесподстилочного навоза (без фосфора).
Использование озимой пшеницей азота и других факторов плодородия почвы (опыте 15N)
Наряду с полевым опытом 90а в 1989-1990 годах проведен микрополевой опыт 906, для которого использовалась разноудобренная почва из пахотного (0-20 см) и подпахотного (20-40 см) слоев 5-ти вариантов полевого опыта 90а, а именно: 1-го (контроль без удобрения), 3 -го (бесподстилочный навоз, 2 дозы), 6 -го (бесподстилочный навоз, 5 доз), 8-го (NPK, эквивалентное двум дозам навоза), 9-го (NPK, эквивалентные одной дозе бесподстилочного навоза плюс одна доза бесподстилочного навоза). Почва из подпахотного и пахотного слоев опыта 90а укладывалась соответственно двумя слоями по 20 см каждый в сосуды без дна из пластмассы размерами 40x40x50 см. Над поверхностью почвы оставляли стенки сосудов высотой 10 см для удобства полива растений. Всего было использовано 30 сосудов по шесть сосудов на каждый из пяти вариантов разноудобренной почвы. Сосуды располагались под сеткой в три яруса по десять штук в ряд, рендомизированно. Агрохимическая характеристика почвы опыта 90 по вариантам последействия длительного применения бесподстилочного навоза и минеральных удобрений приведена в таблице 23.
Набивку сосудов провели летом 1989 года и осенью того же года в них высеяли озимую пшеницу сорта Мироновская 808. Весной 1990 года в четыре сосуда каждого из пяти вариантов внесли азотное удобрение из расчета 60 кг/га д.в. (0,96 г на сосуд), а два других сосуда оставили без удобрений в качестве контрольных. При этом под озимую пшеницу в два сосуда внесли меченый азот (15N), в два других - азот без метки (14N). В качестве азотных удобрений применяли аммиачную селитру, обычную и меченую по аммиачному и нитратному ионам. Обогащение азота селитры по 15N, по данным заводской упаковки, составляло 20 ат.%. При анализе на массчлектрометре ВИУА оно составило 20,8 ат.%. Однако из практических соображений, имея в виду возможность повышения гигроскопичности в процессе работы, все необходимые вычисления проводили в расчете на 20-ти процентное обогащение азота данного удобрения меченым азотом. Азотное удобрение, согласно методике исследований с 15N, вносили в растворе с поливной водой в фазу кущения по 3 грамма на сосуд, при содержании в селитре 32% азота.
По данным учета, в микрополевом опыте 906 сбор зерна озимой пшеницы по вариантам без внесения азота колебался от 46,2 г/сосуд на контроле до 73,1 г/сосуд в варианте, где плодородие ранее сформировалось под влиянием пятикратной дозы навоза (табл. 24). В «азотных» вариантах наименьший сбор зерна также получен в контрольном варианте опыта 906 - 67,5 г/сосуд, а максимальный - 86,8 г/сосуд в варианте с последействием пятикратной дозы навоза. При этом коэффициент парной линейной корреляции сбора зерна в безазотных и удобренных азотом вариантах составил г = 0,8, что свидетельствует о значительном влиянии исходного плодородия почвы на формирование урожая озимой пшеницы, несмотря на различия, вызванные внесением азотных удобрений. Изучение зависимости продуктивности растений от агрохимических показателей плодородия почвы (табл. 25) выявило ее тесную связь с содержанием нитратного азота в вариантах без азота (г = 0,93) и с содержанием аммонийного азота в вариантах с применением азотных удобрений (г = 0,89). Например, при почти равном содержании аммонийного азота в контрольном варианте и варианте с последействием 2- кратной дозы навоза - соответственно 7,4 и 7,5 мг/кг N-NH4 и различном содержании нитратного азота - соответственно 4,5 и 9,1 мг/кг сбор зерна без внесения азотных удобрений составил в первом случае 46,2 г/сосуд, во втором - 66,1 г/сосуд, или на 19,9 г/сосуд больше. При внесении аммиачной селитры в контрольном варианте получено зерна 67,5 г/сосуд, в варианте с последействием двукратной дозы навоза -70,0 г/сосуд, т.е. разница составила всего лишь 2,5 г/сосуд. Очевидно, внесение аммиачной селитры несколько нивелировало зависимость растений от содержания нитратного азота почвы, с одной стороны, и стимулировало биологические процессы по нитрификации аммонийных соединений - с другой, т.е. повысило роль именно аммонийного азота почвы. Прибавки же урожая, т.е. эффективность азотных удобрений, в большей мере определялась именно исходным содержанием нитратов (г - -0,86) и в меньшей - содержанием аммония. Промежуточное положение в данном отношении занимала зависимость прибавок урожая озимой пшеницы от концентрации в исходной почве суммы нитратного и аммонийного азота, т.е. от NMHH. (г = - 0,6). Эти данные указывают на важность определения в почве нитратного азота при проведении почвенной диагностики азотного питания и прогнозе эффективности азотного удобрения озимой пшеницы при возделывании культуры на тяжелосуглинистой дерново-подзолистой почве. Таким образом, абсолютные значения продуктивности растений озимой пшеницы в опыте 906 при внесении аммиачной селитры определялись в большей степени исходным содержанием в почве аммонийного азота, указьгоающего на потенциальный источник нитратов, стимулируемый азотными удобрениями. Величины прибавок урожая, т.е. эффективность удобрения, определялись преимущественно исходным содержанием в почве нитратов при обратной зависимости этих величин, т.е. концентрации нитратов и эффективности азотного удобрения.
Вынос основных элементов питания зерновыми культурами
Вынос основных элементов питания зерновыми культурами, входящими в звено севооборота, определялся величиной сбора основной и побочной ігоодукции, т.е. зерна и соломы, и содержанием в них азота, фосфора и калия. В частности, коэффициент корреляции между вьшосом NFK и урожайностью культур в среднем по двум полям составил г = 0,91. Ввиду того, что азотные удобрения в опыте 90а вносили ежегодно дозой 60 кг/га под озимую пшеницу и по 40 кг/га действующего вещества под ячмень и овес во всех вариантах, включая контрольный опыта 90, различия в выносе NPK между вариантами в опыте 90а зависели от сформировавшегося ранее плодородия почвы.
Для сравнения выноса по вариантам и годам последействия ранее вносимых удобрений, т.е. по культурам звена севооборота, нами использованы данные по двум полям (второму и третьему), т.к. по первому полю на первой культуре звена - озимой пшенице не по всем вариантам был проведен химический анализ соломы. Как видно из таблиц 27 и 28, приложений 9-23, в которых представлены данные по выносу соответственно по второму и третьему полям севооборота, при общей закономерности последействия бесподстилочного навоза в возрастающих дозах и минеральных удобрений на обоих полях (коэффициент корреляции между выносом NPK на двух полях составил г = 0,82) по абсолютным показателям выноса имелись определенные различия. В особенности это относится к отдельным культурам звена, прежде всего к озимой пшенице. Если на поле 2 в среднем по вариантам вынос азота составил 118,2 кг/га, фосфора - 20,6 кг/га и калия -47,4 кг/га (в сумме 186,2 кг/га NPK), то на поле 3 соответствующие показатели равнялись: 126,3; 37,4 и 80,0 (в сумме 243,7 кг/га NPK). По ячменю суммарные величины выноса основных элементов питания на втором и третьем полях близки между собой. У овса вынос NPK, как и у озимой пшеницы, был выше на третьем поле.
Отмеченная разница в выносе NPK между одной и той же культурой на разных полях объясняется прежде всего погодными условиями формирования продуктивности культур в годы их возделывания. Вегетационные периоды 1989 и 1990 годов существенно различались по агрометеорологическим показателям: в 1989 году за апрель- июль осадков выпало меньше нормы, тогда как в 1990 году - больше нормы. Поэтому урожайность озимой пшеницы в 1989 году (второе поле) и вынос NPK урожаем были несколько ниже, чем в 1990 году (третье поле), хотя содержание элементов питания (особенно азота) в зерне и соломе было выше в 1989 году по сравнению с 1990 годом.
При сравнении выноса NPK ячменем на втором и третьем полях их незначительная разница также объясняется, в основном, погодными условиями соответственно 1990 и 1991 годов, так как вегетационные периоды в оба года относятся к сравнительно хорошо обеспеченным осадками. У овса при близких урожаях в оба года в сравнительно влажном сезоне 1991 года (поле 2) и засушливом 1992 года (поле 3) больший вынос NPK объясняется, повышенным процентным содержанием азота и калия в биомассе урожая 1992 года (при меньшем содержании в выносе фосфора).
Зависимость выноса основных элементов питания от почвенного плодородия прослеживается по данным таблицы 29, в которой представлены коэффициенты корреляции величин выноса азота, фосфора и калия и суммарным урожаем трех культур звена севооборота на поле 2 с агрохимическими показателями почвы. Суммарный вынос NPK достоверно зависел от таких показателей, как содержание гумуса (г = 0,77), подвижных форм фосфора (г = 0,71) и калия (г = 0,82) при 95-процентном уровне вероятности. На уровне тенденции (при величине достоверного коэффициента вероятности г = 0,67) положительной зависимостью характеризовался вынос NPK от содержания в почве легкогидролизуемого азота и его минеральных форм.
Из физико-химических свойств наибольшее влияние на величину выноса NPK оказала кислотность почвы: с ее снижением вынос всех основных элементов возрастал, на что указывают значимые положительные коэффициенты корреляции с рН и отрицательные с гидролитической кислотностью (Н г).
Такие свойства почвы, как емкость поглощения (S+Hr), сумма обменных оснований (S), степень насыщенности основаниями(У), неоднозначно коррелировали с выносом питательных веществ. Если для степени насыщенности ГШК основаниями характерна положительная связь с выносом NPK (г = 0,49), то для суммы обменных оснований она оказалась малосущественной (г = 0,13), а для емкости поглощения (S+Hr) вообще отрицательной (г = -0,26). Данное обстоятельство можно объяснить тем, что в емкости поглощения основную роль играли ионы водорода, определившие повышение гидролитической кислотности почвы и по силе негативного воздействия на урожайность превзошедшие положительное влияние двухвалентных катионов кальция и магния.
Следует отметить сравнительно невысокие коэффициенты корреляции выноса азота с содержанием минеральных форм почвенного азота, а именно с нитратным и аммонийным азотом, а также с их суммой (NMHH). Это, очевидно, связано с внесением азотных удобрений, которые ослабляли зависимость урожайности зерновых от почвенного азота. Однако внесение азотных удобрений, по всей вероятности, усиливало зависимость растений от содержания в почве фосфора и калия, о чем свидетельствуют высокие коэффициенты корреляции выноса отдельно азота, фосфора и калия с этими агрохимическими показателями (г = 0,66- 0,84).
Агроэкологическая, энергетическая и экономическая оценка последействия бесподстилочного навоза
С бесподстилочным навозом за 15 лет его внесения под культуры кормового севооборота в почву поступило, в зависимости от применяемых доз, от 1725 до 8635 кг азота в расчете на 1 га. Согласно нашим расчетам, проведенным на основании данных лаборатории органических удобрений ВИУА, в почве, за вычетом выноса по разным вариантам оставалось от 269 до 6264 кг/га азота (табл. 46), что могло вызвать избыточное накопление нитратов в почве и растениях. Однако, как показали исследования, в метровом слое почвы под озимой пшеницей, т.е. в первый год последействия, содержание нитратного азота в целом было незначительным (от 39 до 85 кг/га N-NO3) и мало отличалось от ранее неудобрявшегося контроля (73 кг/га), что видно из таблицы 47. Это можно объяснить тем, что основная часть азота, вносимого в составе бесподстилочного навоза под культуры кормового севооборота, находилась в связной форме. Кроме того, в процессе трансформации в почве минеральные формы азота, активно поглощаясь растениями и микрофлорой, также превращались в органические соединения белкового типа (иммобилизация) и не накапливались в свободном виде, и, соответственно, в растениях. Об этом, в частности, свидетельствуют данные таблицы 48, в которой показано содержание нитратов в зерне первой и последней культур звена севооборота, т.е. в озимой пшенице и овсе. Несмотря на некоторые различия в концентрации нитратов в зерне по различным вариантам последействия удобрений, эти различия связаны, видимо, со случайными (неучтенными) факторами, т.к. определенной закономерности от последействия возрастающих доз бесподстилочного навоза не прослеживается. При этом концентрации нитратов в зерне и озимой пшеницы, и ячменя находились значительно ниже допустимого уровня,, т.е. ПДК. Исследования состояния грунтовых вод, проведенные лабораторией органических удобрений ВИУА, по завершении 15-летнего применения бесподстилочного навоза и минеральных удобрений в кормовом севообороте (1972-1987 гг.), показали, что с ростом доз навоза в подземных водах увеличивалось содержание нитратов, однако по всем вариантам, включая вариант 6 (5доз бесподстилочного навоза), концентрация нитратов не превышало ЦЦК (45 мг/л) для вод хозяйственного назначения (приложение 43). Представляет определенный интерес также влияние длительного применения возрастающих доз органического удобрения на загрязнение зерновой продукции тяжелыми металлами. Анализ данных таблицы 49 показывает, что ни бесподстилочный навоз, ни минеральные удобрения в эквивалентных дозах не оказали заметного влияния на экологические показатели качества зерна. Во всяком случае, выявить определенные закономерности в последействии удобрений на содержание тяжелых металлов в зерне овса не удалось.
По всем анализируемым микроэлементам, за исключением никеля, продукция соответствовала гигиеническим требованиям, т. к. концентрации ТМ были ниже МДУ. Относительно никеля следует отметить, что даже на неудобрявшемся ранее контроле его содержание в зерне было выше МДУ, что, очевидно, связано с особенностями почвы в данной геохимической провинции, но не с внесением удобрений. Энергетическое состояние экосистем, в данном случае агроценоза с зерновыми культурами, относится к важным экологическим критериям их функционировании, направленного на противодействие энтропии (Реймерс, 1990). Для расчета затрат совокупной энергии на производство зерна в опыте 90а, а также выхода энергии нами использованы методические разработки МСХА и ВНИИ кормов. Как следует из таблицы 50, суммарные затраты за три года на возделывание зерновых составили 70 гигаджоулей в расчете на I га, или 23,3 ГДж/га в среднем за год. Этот показатель согласуется с данными, приводимыми в литературе. В частности, по расчетам Г.С. Посыпанова и В.Е. Долгодворова (1995 г.), энергозатраты на возделывание озимой пшеницы составляют не менее 21 ГДж/га, яровых зерновых - 20 ГДж/га. По данным ВНИИ кормов (Кутузова и др., 1995), при возделывании кукурузы на силос энергозатраты возрастают до 29 ГДж/га.
