Содержание к диссертации
Введение
I. Обзор литературы 4-14
1.1. Комплексное агрохимическое окультуривание полей -эффективный прием применения средств химизации в земледелии 14-21
1.2. Эффективность сочетания известкования низкоплодородных почв с применением минеральных и органических удобрений 14-21
1.3. Роль фосфоритования в повышении плодородия почв Нечерноземной зоны 21-32
1.4. Влияние минеральных удобрений на калийный режим почвы и продуктивность сельскохозяйственных культур. 32-37
1.5. Влияние органических удобрений на изменение агрохимических свойств почв и продуктивность сельскохозяйственных культур 37-50
II. Обсуждение результатов.
2.1. Почвенно-климатические условия Владимирской области 51-54
2.2. Объекты и методы исследований 55-61
2.3. Влияние известкования на агрохимические свойства почв и продуктивность сельскохозяйственных культур 61-82
2.4. Рациональное решение проблемы фосфатного режима почв в системе КАХОП 82-101
2.5. Эффективность комплексного агрохимического окультуривания полей 101-129
2.6. Агроэкологический мониторинг полей комплексного агрохимического окультуривания 129-148
Выводы 149-150
Рекомендации производству 150
Список используемой литературы 151-169
Приложение
- Эффективность сочетания известкования низкоплодородных почв с применением минеральных и органических удобрений
- Влияние органических удобрений на изменение агрохимических свойств почв и продуктивность сельскохозяйственных культур
- Влияние известкования на агрохимические свойства почв и продуктивность сельскохозяйственных культур
- Агроэкологический мониторинг полей комплексного агрохимического окультуривания
Эффективность сочетания известкования низкоплодородных почв с применением минеральных и органических удобрений
В Нечерноземной зоне промывной режим увлажнения обуславливает протекание подзолообразовательного процесса с накоплением в почве водорастворимых веществ, обладающих кислотными свойствами: низкомолекулярных органических кислот, полифенов и их производных и т.д. В составе гумуса также преобладают фульвокислоты (Ярков СП., 1954; Кауричев И.С, 1967; Короткое А.А., 1972). Отмеченные процессы приводят к нарастанию со временем кислотности и одновременно к снижению поглощенных оснований в почве (Пономарева В.В., 1964; Лебедева Л.А., 1984; Шильников И.А., Лебедева Л.А., 1987).
Так, недостаток кальция и резкое преобладание в почвенной среде одновалентных ионов Н+, Na+, К+ или двухвалентного Mg+ способствует нарушению физиологической уравновешенности питательного раствора, в результате чего резко страдает корневая система растений. Применение физиологически кислых удобрений также приводит к потерям кальция из почвы. По данным ряда авторов магний является таким же необходимым элементом питания растений и микроорганизмов. Недостаток его в почве, вызывает функциональные нарушения в растениях, ведет к снижению урожайности (Прянишников Д.Н., 1955; Рубанов B.C., 1964; Магницкий К.П., 1965, 1967; Васильева Л.В., 1968)
Почвы легкого гранулометрического состава - супесчаные и песчаные дерново-подзолистые - характеризуются недостатком магния (Мазаева М.М., 1969; Ненайденко Г.Н., Иванов А.Л., 1998), содержание его составляет 0,5-2,5 мг на 100 г почвы. Применение минеральных удобрений на этих почвах, особенно калийных, в повышенных дозах усиливает потребность в магниевом питании у большинства сельскохозяйственных культур. Высокая кислотность почвенного раствора ведет, с одной стороны, к снижению поступления Mg в растения в силу антагонизма между ионами водорода и магния, а с другой стороны, к усилению вымывания магния за пределы пахотного горизонта, особенно значительно на легких почвах (более 10 кг/га ежегодно) (Pfaff С, 1966).
При высокой кислотности значительно снижается доступность фосфора. Имеются данные (Frow-Smith R., 1978), что при рН ниже 5,8, фосфаты превращаются в легкие доступные для растений формы. На снижение фиксации фосфора почвой при уменьшении кислотности указывает также Кулаковская Т.Н., 1972; Барбалис П.Д., 1970; Рейнфельд Д., 1978; Schachtschabel Р., 1967; Кирпичников Н.А., 1992, 1999). По мнению авторов оптимальный уровень среды для усвоения фосфатов является рН 6,5.
При снижении кислотности почвы повышается необходимое поглощение калия, возрастает калийный потенциал, поэтому на известкованных почвах значительно увеличивается эффективность калийных удобрений (Зигальшина Ф.М., 1976; Grzelczak J., 1981; Whitear J., 1978).
От реакции почвенной среды зависит биологическая активность почвы, главным образом жизнедеятельность микроорганизмов. Нейтрализация кислотности способствует более быстрому разложению элементов питания для растений, стимулирует деятельность азотофиксирующих бактерий, что ведет к улучшению азотного режима почв (Минеев В.Г., Ремпе Е.Х., 1978).
Таким образом, кислотность - один из определяющих показателей плодородия почв, от которого зависит не только эффективность применения удобрений, но и урожайность культур. Поэтому ведение интенсивного земледелия на низкоплодородных почвах без периодического известкования невозможно. Это особенно относится к России, где по данным агрохимслужбы, на 01.01.98 г. площади пахотных почв, нуждающихся в известковании составляют 50,3 млн. га. Многочисленными опытами установлено, что известкование кислых почв повышает эффективность удобрений на 30-40%, а калийных - примерно в 2 раза (Кореньков Д.А., 1982; Минеев В.Г., 1983; Шильников И. А., 1977, 1997).
Доказано, что известкование способствует увеличению поглощающего комплекса (Гедройц К.К., 1992; Кедров-Зихман O.K., 1957; Соколов А.В., 1961; Шильников И.А.,1984). На почвах легкого гранулометрического состава применение магнийсодержащих известковых материалов - единственный источник решения магниевой проблемы.
По данным опытных станций Нечерноземья, имеется отчетливая прямолинейная зависимость между дозами извести (СаСОз, т/га) и сдвигом величины рН: с увеличением доз извести увеличивается сдвиг рН. Это явление наблюдается как при прямом действии мелиоранта, так и в последействии (Шильников И.А., Лебедева Л.А., 1987; Колосова А.Ф., 1989). Авторы отмечают, что при внесении одной и той же дозы извести наибольший сдвиг рН происходит на супесчаных почвах, наименьший - на тяжелосуглинистых.
Хорошо известна положительная роль извести для улучшения физико-химических свойств кислых низкоплодородных почв, в том числе и при длительном применении минеральных удобрений. Однако, до сего времени нет достаточного экспериментального материала, чтобы оценить равнозначно ли действие извести на свойства почвы в зависимости от времени ее внесения, в какой мере известкование улучшает уже измененные минеральными удобрениями свойства почв.
Влияние органических удобрений на изменение агрохимических свойств почв и продуктивность сельскохозяйственных культур
Вопросы воспроизводства и повышения эффективного плодородия почв, их гумусное состояние, роль отдельных составляющих баланса гумуса в поддержании плодородия почв в настоящее время не потеряли своей актуальности. В дерново-подзолистых почвах содержание гумуса в верхних горизонтах составляет около 1-2%, на старопахотных супесчаных и песчаных почвах - часто ниже 1%. Общие запасы органического вещества при небольшой мощности гумусового горизонта составляют 50-80 т/га и сосредоточены в основном в верхнем горизонте. (Лыков A.M., 1979; Доспехов Б.А., 1985; Милащенко Н.З., 1993).
Низкая гумусированность дерново-подзолистых почв обусловлена особенностями их формирования под пологом леса, слабым развитием травянистого покрова, небольшим поступлением в почву корневых и подземных остатков растительности, повышенной подвижностью формируемого в условиях кислой реакции среды гумуса и промывным типом водного режима почв, при котором часть образующихся гумусовых веществ и элементов пищи вымывается за пределы почвенного профиля (Тюрин И.С., 1965; Шевцова Л.К.; 1988; Орлов Д.С.; 1981).
Влияние гумуса на химические свойства почвы связано прежде всего с накоплением азота и зольных элементов питания растений. В почве в органической форме аккумулировано 98% азота, 60% - фосфора, 80% - серы и других элементов (Жуков А.И., Попов П.Д., 1988).
Присутствие в почве даже относительно небольшого количества гумусовых веществ, входящих в состав органо-минеральных и органических коллоидов, повышают ее поглотительную способность в результате увеличения емкости обмена гумусовых кислот (Орлов Д.С., Лозановская И.Н., Попов П.Д.; 1985).
По данным ученых ГДР, увеличение содержания углерода в органическом веществе песчаных почв с 0,28 до 0,54% повышало емкость обмена на 30-34%. На каждый 0,1% гумуса она возрастала на 0,4 мг-экв на 100 г почвы, а влагоемкость - на 0,5-0,8%. (Brugger G., 1976).
Окультуривание почв, повышение их гумусированности благоприятно влияет на реакцию среды, благодаря высокой поглотительной способности органическое вещество связывает и выводит из раствора обменный алюминий и другие токсические элементы (Орлов Д.С., 1980).
На окультуренных почвах значительно возрастает коэффициент использования азота минеральных удобрений. Органическое вещество служит энергетическим материалом для жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, играющих важную роль в обеспеченности растений углекислотой и элементами питания (Минеев В.Г., Ремпе Е.Х., 1990).
При воздействии обработки почвы гумус постоянно разлагается, высвобождаемые при этом в минеральной форме питательные вещества используются растениями (Лыков A.M., 1985).
Кроме важной роли как источника питательных веществ, гумус имеет большое значение косвенного фактора плодородия благодаря улучшению физических свойств почвы. Наличие гумуса в минеральных почвах ведет к их разрыхлению, уменьшению объемной массы; изменение объема при увлажнении и высыхании является благоприятным фактором аэрации почвы (Александрова Л.Н., 1980; Балтян К.И., 1972). Гумус оказывает заметное влияние на тепловые свойства и температуру почвы.
В.Р.Вильямс (1935) выявил огромное значение гумуса в образовании структуры почвы. По его мнению существенным фактором склеивания механических элементов в структурные отдельности является свежеосажденный перегной в присутствии ионов Са, придающих этому цементу перегною свойства прочности и устойчивости к размывающему действию воды. Источник такого перегноя - корневая система многочисленных трав, которая вместе с тем является и важным фактором дробления почвенной массы на структурные комочки.
Таким образом, связь гумуса с процессами почвообразования и жизнью растений обусловливают исключительную значимость этого фактора почвенной среды, поэтому поддержание оптимального количества гумуса в почве - это сохранение ее плодородия.
При возделывании культур без внесения удобрений происходит потеря гумуса (Тюрин И.В., 1965; Алифанов В.М., 1979; Фридланд Е.В., 1985; Фокин А.Д., 1994).Так, по данным Макуниной Г.С, (1990) убыль гумуса в пахотных почвах по сравнению с целинными аналогами, составляет ежегодно около 1 т/га. По обобщенным данным Державина Л.М. (1988) средние ежегодные потери гумуса из почв Центральной России составляют от 4 до 8%.
Ведущая роль в восполнении запасов гумуса на дерново-подзолистых почвах принадлежит органическим удобрениям. Так, например, при внесении навоза, количество гумуса в почве увеличивается как за счет большой массы пожнивных и корневых остатков возделываемых культур, так и за счет гумификации органического вещества навоза. По данным ряда авторов при систематическом применении органических удобрений убыль гумуса в дерново-подзолистых почвах приостанавливается, а иногда содержание его повышается по сравнению с исходной почвой (Бугаев В.П., Осипова З.М., 1968; Дюмофур, 1970; Минеев В.Г., 1977; Лыков A.M., Черников В.А., 1978). Увеличение количества органического вещества зависит от дозы и вида органического удобрения, длительности и типа севооборота.
В настоящее время в литературе имеются многочисленные данные, показывающие разностороннюю роль органических удобрений. Помимо прямого влияния на растения, как источника питательных элементов, выявлено и оценено положительное действие органических удобрений на физические, физико-химические и биологические свойства почв, повышение поглотительной способности и буферности, прямого и косвенного влияния на структуру почвы, улучшение воздушного питания растений, благодаря увеличению СОг в приземном слое воздуха. Органические удобрения создают условия для более эффективного использования минеральных удобрений. При этом усиливается роль органических удобрений в связи с повторным использованием питательных веществ, поступающих в почву в виде минеральных удобрений (Александрова Л.Н., Юрлова О.В., 1981; Егоров В.В., 1981; Кононова М.М., 1984; Майборода Н.М., 1975; Мамченков И.П., Платонов Г.В., 1974; Шимона Е., 1980; Золотарева Б.Н. и др., 1992; Панников В.Д., Минеев В.Г., 1987; Кулаковская Т.Н., 1970 и др.).
Влияние известкования на агрохимические свойства почв и продуктивность сельскохозяйственных культур
Роль известкования, значение кальция как стража плодородия доказана многолетними исследованиями ученых и практикой мирового сельского хозяйства. Уровень кислотности почв в Нечерноземной зоне препятствует повышению урожая сельскохозяйственных культур, улучшению агроэкологической обстановки. Здесь почти одна треть площади сельскохозяйственных угодий, в том числе 44% площади пахотных земель имеют кислую реакцию и нуждаются в известковании (Шильников И.А. и др., 1997; Державин Л.М., 1998; Минеев В.Г., 1998). В этом регионе не могло быть и речи об интенсификации сельскохозяйственного производства, возделывании новых высокоурожайных культур, освоении необходимых севооборотов, так как подавляющее большинство сельскохозяйственных культур, особенно новых сортов, дают высокие и стабильные урожаи при рН почвенной среды на уровне 5,7-6,5.
Почвы во Владимирской области - серые лесные и дерново-подзолистые, причем большая часть которых супесчаные (34%) и песчаные (16%), характеризующиеся низким плодородием. Особенности климата, способствуют непрерывному процессу подзолообразования. Одним из важных показателей подзолообразовательного процесса в пахотных почвах является нарастание со временем в пахотном и подпахотном горизонтах кислотности, при одновременном снижении содержания поглощенных оснований (Пономарева В.В., 1964; Шильников И.А., Лебедева Л.А., 1987; Небольсин А.Н., 1989; Хлыстовский А.Д., 1992).
Комплексное агрохимическое окультуривание полей предусматривало проведение работ на малоплодородных почвах, что позволяло сконцентрировать усилия по повышению плодородия почв на определенной площади и довести ее агрохимические показатели до наиболее благоприятного уровня. В первые годы внедрения КАХОП объемы работ во Владимирской области составляли уже 32,3 тыс. га или около 7% от всего объема работ в Нечерноземной зоне. В дальнейшем темпы работ не снижались и к 1988 году достигли максимума -45,5 тыс. га. В период 1986-1989 г. в области отмечена наибольшая интенсивность КАХОП, объем освоения за эти годы составил 54% от общего объема за весь период КАХОП (311,44 тыс. га).
Комплексное агрохимическое окультуривание почв осуществлялось на отдельных низкоплодородных полях во всех районах области (табл. 5). Данные таблицы показывают, что наибольший объем работ по КАХОП был выполнен на серых лесных почвах - 42%, на дерново-подзолистых суглинистых - 34% и на дерново-подзолистых песчаных и супесчаных - 24%. Отметим, что на серых лесных почвах наибольший объем работ выполнен в Суздальском районе - 47,3 тыс. га или 36% от общего объема работ на данном типе почв; на дерново-подзолистых суглинистых почвах - в Ковровском районе соответственно - 25,6 тыс. га или 24%. Поэтому для более детального изучения влияния КАХОП и его последействия на изменение агрохимических свойств почв в работе в основном приводятся данные по этим двум районам.
При освоении КАХОП одним из основных мероприятий было известкование почв. Известковые материалы планировалось вносить в дозах, обеспечивающих достижение оптимальных значений рН с учетом свойств почвы, применяемых мелиорантов и биологических особенностей сельскохозяйственных культур, возделываемых на данном поле в севообороте. Темпы известкования на полях КАХО значительно опережали областной уровень, что в значительной степени повлияло на динамику кислых почв.
По агрохимическим показателям по состоянию к моменту освоения КАХОП пахотные угодья области характеризовались следующими данными: сильнокислых почв (рН 4,5 и ниже) было 11,2%, среднекислых (рН 4,6-5,0) -21,4%, слабокислых (рН 5,1-5,5) - 32,6%, близко к нейтральным (рН 5,5-6,0) -34,8% площади.
Особенно много сильно- и среднекислых почв: дерново-подзолистых песчаных и супесчаных в Меленковском районе - 65%, Петушинском - 50%, Гусь-Хрустальном - 46,2%, Селивановском - 46%; дерново-подзолистых суглинистых в Камешковском районе -38%; серых лесных в Александровском районе - 43%.
В среднем по области в первоочередном известковании нуждалось 217 тыс. га пашни или 32,6%, кроме того в поддерживающем известковании нуждались слабокислые почвы, площади которых составляли около 220 тыс. га. Динамика известкования в области представлена в приложении 12. При известковании почв во Владимирский области в основном использовали в качестве мелиоранта доломитовую муку, залежами которой располагает область. Применение этого известкового материала, состоящего: СаО - 28,9%, MgO - 16,9%, нейтрализующая способность в переводе на СаС03 - 92,3%, решило проблему магниевой недостаточности в почвах легкого гранулометрического состава(приложение 13). Доломитовую муку вносили согласно расчетной потребности. Распределение извести по районам (табл. 6) за период проведения КАХОП показывает, что наиболее высокие дозы доломитовой муки вносили в хозяйствах, пахотные земли которых представлены серыми лесными суглинистыми почвами. Закономерность динамики объемов известкования по районам в рамках КАХОП согласуется с общей по области (рис. 1): наибольшее количество известковых материалов было внесено в период 1985-1990 г.г. Средняя доза доломитовой муки при КАХОП для серых лесных почв составляла 4,0-4,2 т/га, для дерново-подзолистых суглинистых и супесчаных соответственно 3,3-3,5 и 3,2-3,4.
Агроэкологический мониторинг полей комплексного агрохимического окультуривания
В соответствии с Государственной программой мониторинга земель Российской Федерации на 1993-1995 годы, утвержденной постановлением Правительства РФ № 100 от 15.07.92 г., предусматривается поэтапное введение на территории России мониторинга земель. В нашей стране не было единой системы контроля агроэкологических ситуаций на территориях, используемых в земледелии, которая позволила бы всесторонне и глубоко оценить как положительное, так и отрицательное воздействие химизации и агротехники непосредственно на агроэкосистему. Система мониторинга обеспечивает получение совокупности данных, позволяющих определить оптимальные и критические уровни важнейших агрохимических показателей. А выявление критических уровней контролируемых параметров позволит принять экстренные меры по регулированию негативных процессов. Сплошной мониторинг земель сельхозугодий осуществляется в рамках систематического агрохимического обследования почв. А для проведения локального мониторинга агрохимцентром в 1993 году заложено в производственных условиях 37 реперных (постоянных) участков .
Результаты шести лет наблюдений на участках полей КАХО показывают, что применение известковых, минеральных и органических удобрений при КАХОП позволило создать достаточно высокий уровень запаса питательных веществ, благодаря которому не происходит резкого падения почвенного плодородия.
При проведении комплекса работ по мониторингу ставилась задача определить наличие и степень вредного воздействия удобрений. Другим направлением мониторинга стал контроль за содержанием тяжелых металлов. Из них в первую очередь агрохимцентр определяет содержание подвижных форм меди, цинка, свинца, кадмия, реже - марганца, никеля, кобальта и хрома.
В таблицах 48-49 представлены данные почвенного контроля полей КАХОП, характеризующиеся очень высокими агрохимическими показателями (табл. 40, 41). Как видно, даже очень высокие дозы минеральных, органических и известковых удобрений, а также применение средств защиты растений не приводят к загрязнению почв.
Отмечено, что суглинистые почвы содержат больше тяжелых металлов, чем песчаные и супесчаные. В связи с появившимся в некоторых районах ростом кислотности отмечается тенденция к увеличению в пахотном горизонте содержания цинка в среднем с 18,5 до 26,4 мг/кг, марганца - с 321 до 438 мг/кг почвы.
Размеры накопления стронция-90 и цезия-137 в урожае различных культур определяются в основном свойствами почв и биологическими особенностями растений. Отмечено, что наибольшее накопление цезия-137 наблюдается в многолетних травах (коэффициент накопления от 1,4 до 3,4), а стронций-90 больше всего накапливается в подсолнечнике и бобовых (коэффициент накопления 3,3-5,5).
Оценку почв по их производительности принято называть бонитировкой почв и выражать ее в баллах. Методы бонитировки почв основаны на принципах, сформированных В.В. Докучаевым и строятся на исследовании количественных показателей свойств почв и климатических условий.
Установлено, что наиболее тесно коррелируют с урожайностью из агрохимических показателей - кислотность почв, механический состав; из климатических параметров - наибольшая связь с суммой положительных температур (выше 10) и коэффициентом увлажнения.
Балл бонитета почвы показывает отношение ее плодородия для данной сельскохозяйственной культуры к плодородию почвы, принятой за эталон и оцениваемой в 100 баллов.
Под эталоном плодородия почв понимается совокупность агрономически значимых оптимальных почвенных свойств и режимов, сформировавшихся в естественно-антропогенных условиях при определенном уровне культуры земледелия и отвечающих соответственно высокому уровню продуктивности сельскохозяйственных культур.
В многочисленных прогнозах изменения биосферы важное место отводится почвенному покрову. К тому же антропогенный пресс на почву проявляется повсеместно. Методика и технология общей почвенно-экологической оценки и бонитировки почв, разработанная И.И. Кармановым (1991) позволяет определить почвенно-экологические показатели от конкретного участка поля, хозяйства до области. Она дает сопоставимые результаты на единой основе для всей территории. Оценка уровня плодородия почв, полученная на основе этой методики, позволяет более рационально размещать удобрения. Кармановым И.И. была найдена корреляционная зависимость урожайности от агрохимических свойств почв (1) и трех агроклиматических показателей (2): 1) кислотность, механический состав, плотность, мощность гумусового горизонта и содержание гумуса. 2) сумма температур выше 10С, коэффициент увлажнения и степень континентальности климата. Необходимо отметить, что данные, приведенные нами по величине почвенно-экологических индексов, определены без учета уровня загрязнения территории радиоактивными и химическими веществами. Это обусловлено не только тем, что в формуле Карманова И.И. не учтены поправочные коэффициенты на уровни загрязнения территории, а прежде всего потому, что содержание в почвах реперных участков Владимирской области радиоактивных и химических веществ не превышает фоновых значений и не может повлиять на величину почвенно-экологического индекса.
На основе количественных значений всех необходимых параметров рассчитаны почвенно-экологические индексы (ПЭИ) реперных участков. Данные показывают, что величина ПЭИ сильно различается на разных реперных участках и колеблется в пределах от 33,4 до 86,6 балла. Наиболее высокая величина этого показателя наблюдается на пятом участке с серой лесной среднесуглинистой почвой в Суздальском районе, что свидетельствует о более высокой величине агрохимического показателя по сравнению с аналогичными почвами на участках 2, 3, 4, 16, 19, 30, 31, 34. На почвах песчаных и супесчаных, как правило, величина ПЭИ значительно ниже.
Данная модель дает возможность количественно оценить экологическую нагрузку конкретных угодий и земельных участков и может служить показателем плодородия почв. Естественно, что при загрязнении почв радиоактивными и химическими веществами уровень плодородия почв, а следовательно, и величина почвенно-экологического индекса будет снижаться. Для учета уровня загрязнения территории разработаны поправочные коэффициенты. Величины почвенно-экологических индексов нами определены без учета уровня загрязнения территории радиоактивными и химическими веществами. Это обусловлено не только тем, что в формуле Шишова Л.Д. не учтены поправочные коэффициенты на уровни загрязнения, а прежде всего потому, что содержание радиоактивных и химических веществ в почвах реперных участков Владимирской области не превышает фоновых значений и не может влиять на величину ПЭИ.
