Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 8
1.1. Влияние средств химизации на агрохимическую характеристику почв 8
1.2. Фосфатный режим почвы 12
Глава 2. Объекты, условия и методы проведения исследований 28
2.1. Объекты изучения 28
2.2. Погодные условия проведения исследований 29
2.3. Методика проведения экспериментов 32
2.3.1 .Модельный и вегетационный опыты 32
2.3.2. Многолетний полевой опыт 34
2.3.3. Мониторинговые исследования
в производственных условиях 36
2.3.4. Методы лабораторных исследований 38
Глава 3. Влияние удобрений на агрохимические показатели почвы 40
3.1. Влияние разового внесения разных доз и форм фосфорсодержащих удобрений на агрохимические показатели почвы 41
3.2. Влияние систематического применения различных систем удобрения на агрохимическую характеристику почвы 44
3.3. Оценка пространственной неоднородности агрохимических показателей почвы пашни ООО «Агрофирма «Искра» 52
Глава 4. Фосфатный режим светло-серой лесной почвы 58
4.1. Оценка валового запаса и группового состава фосфатов почвы при разных системах удобрения 58
4.2. Фракционный состав фосфатов светло-серой лесной почвы 63
4.2.1. Оценка изменения фракционного состава минеральных фосфатов почвы при разовом внесении удобрения 63
4.2.2. Влияние систематического внесения удобрений
на фосфатное состояние светло-серой лесной почвы 67
4.2.3. Влияние периодического внесения удобрений
на вариабельность фракционного состава фосфатов почвы 76
4.3. Влияние разных систем удобрения на степень подвижности почвенных фосфатов з
Глава 5. Влияние разных систем удобрения на урожайность и качество растениеводческой продукции 84
5.1. Влияние фосфорсодержащих удобрений на урожайность и элементный состав кукурузы 86
5.2. Влияние систематического внесения удобрений на продуктивность зерновых культур в севообороте 89
Глава 6. Эффективность применения удобрений 99
6.1. Окупаемость систематического внесения удобрений прибавкой урожая зерновых культур 99
6.2. Энергетическая (биоэнергетическая) эффективность систематического применения удобрений 104
Заключение 109
Список литературы 112
- Погодные условия проведения исследований
- Влияние систематического применения различных систем удобрения на агрохимическую характеристику почвы
- Оценка изменения фракционного состава минеральных фосфатов почвы при разовом внесении удобрения
- Влияние систематического внесения удобрений на продуктивность зерновых культур в севообороте
Погодные условия проведения исследований
По мнению А.В. Соколова (1950), наиболее ценную информацию для изучения фосфатного режима почв удается получить в стационарных полевых опытах с применением фосфорных удобрений.
Данные многолетних опытов на дерново-подзолистой почве (Виль-дфлушИ.Р., Брагин A.M., 1972; ГулякинИ.В., ЧуприковЮ.К, 1973; Кириллова Г. Б., Жуков Ю.П., 2004;) свидетельствуют о существенном обогащении почвы как валовым, так и подвижным фосфором при длительном внесении удобрений. Аналогичные результаты получены в опытах на серых лесных почвах (ХмелининИ.Н., 1974; Арнаутова Н.И., 1980; Бусоргин В.Г., Сорвае-ва Л.Д., 1982; Иванов А.Л. и др., 1996) и выщелоченных черноземах (Алиев Ш.А. и др., 2008). Отмечено, что хорошо окультуренная почва значительно превосходит средне-окультуренную почву по содержанию растворимых фосфатов кальция.
Данные об увеличении содержания подвижных фосфатов с повышением доз фосфорных удобрений получены и в опытах И.К. Артюхова с соавторами (1973). Соответственно, с повышением уровня остаточных фосфатов соотношение между отдельными фракциями смещается в сторону легкодоступных с одновременным снижением доли менее доступных форм минеральных фосфатов и на дерново-подзолистой (Шведов А.П., Павлов А.П., 1972; Рочев В.А., 1982; Касицкий Ю.И., 1998), и на серой лесной почве (Бусоргин В.Г., Сорваева Л.Д., 1982; Демин В.А., Васильев А.Н., 1996; Никити-шен В.И., 2007, 2011), и на черноземе выщелоченном (Барышева В.Н., 1973).
Обобщив результаты различных полевых опытов на дерново-подзолистых и серых лесных почвах Нечерноземной зоны, О.В. Сдобникова и Ю.И. Касицкий (1977) пришли к выводу, что оптимальный уровень содержания подвижных фосфатов в почве составляет 100-150 мг/кг. По их данным, благодаря повышению содержания подвижных фосфатов в дерново-подзолистой почве обеспечивался рост урожая озимой пшеницы с 5,8 ц/га до 28,4 ц/га. Аналогичные результаты получе 20
ны И.К. Артюховым с соавторами (1973) на темно-серых лесных почвах и черноземах.
Исследования, проведенные в стационарном полевом опыте Э.С. Илларионовой (1978) показали, что роль удобрений в повышении содержания подвижных фосфатов в дерново-подзолистой почве составляла 66%, известкования - 16,9% от суммарного воздействия изучаемых факторов.
Интенсивность увеличения содержания подвижных форм фосфора в почве, кроме доз фосфорных удобрений, во многом определяется типом почвы. Так, по данным В.Г. Минеева с соавторами, на дерново-подзолистой почве ежегодное внесение 80 кг/га фосфорных удобрений в течение 9-ти лет повысило содержание подвижного фосфора на 22 мг/кг почвы (с 71 до 93 мг/кг), обеспечив положительный баланс Р2О5 в 36 кг/га/год. На серой лесной почве ежегодное внесение фосфора в той же дозе увеличило содержание подвижных форм на 40 мг/кг (с 94 до 135 мг/кг), обеспечив положительный баланс в 42 кг/га/год (Влияние степени ..., 1980).
Исследования А. Мусы (2001) по изучению фракционного состава фосфатов показали, что 24-летнее применение удобрений на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве привело к увеличению содержания общего и минерального фосфора по сравнению с исходным на 200 мг/кг почвы, содержание органического фосфора уменьшилось на 12% от исходного. Применение навозно-минеральной системы удобрения увеличило содержание подвижных форм фосфора в пахотном слое, в зависимости от уровня удобренности, на 40-148 мг/кг почвы.
Изучая влияние фосфорных удобрений на содержание подвижных форм фосфора в почвах Кемеровской области, B.C. Анохин (2006) пришел к выводу, что в годы с высоким уровнем химизации количество площадей с градацией более 100 мг/кг Р2О5 увеличилось. Он отмечал, что с применением удобрений почвенный фосфор лучше используется растениями, а внесение низких доз приводит к некоторому снижению подвижных форм фосфатов в почве (до 36 мг/кг).
По данным ряда исследователей (Хмелинин И.Н., 1984; Формы минеральных удобрений..., 2002), фосфор удобрений трансформируется преимущественно в форму фосфатов железа и кальция, закрепляется в слое 0-30 см (при этом 24-48% остаточных фосфатов аккумулируется в местах его внесения).
По данным Ю.П. Жукова (1983), трехлетнее внесение возрастающих доз удобрений на серой лесной почве увеличило содержание фосфатов алюминия, в меньшей мере - фосфатов железа. Аналогичные результаты получены и Б.С. Носко (1990). По его мнению, остаточный фосфор удобрений превращается, главным образом, в фосфаты оксидов железа и алюминия.
Аналогичные данные на дерново-подзолистой и серой лесной почвах при длительном внесении фосфорных удобрений (как с известкованием, так и без него) получены и в ряде других исследований (Соколов А.В., 1950; Хмелинин И.Н., 1984; Михайлова Л.А., 2008, Орлов П.В. и др., 2012).
Имеет место и сезонная динамика подвижных фосфатов. Е.В. Дабахова (1998) при изучении серых лесных почв отмечает, что внесение удобрений увеличивает амплитуды колебаний содержания фосфора в почве в течение вегетационного периода (размах достигает 70 мг/кг почвы). При этом содержание подвижных форм фосфатов определяется не только удобренностью, но и гидротермическими условиями года (Переверзев В.Н., КошлеваЕ.А., 1992; Дабахова Е.В., 1998).
Исследованиями И.В. Гулякина и Ю.К. Чуприкова (1973) установлено, что при внесении удобрений в дозах N200P100K240 на дерново-подзолистой почве фракция фосфатов железа составила 44-50% от общего запаса фосфора, фосфатов кальция - 28-36%, фосфатов алюминия - 11-26% и рыхлосвя-занных фосфатов - 1,5-2,4%. Ежегодное пятилетнее внесение исключительно навоза (80 т/га) снизило содержание фосфатов железа примерно на 20%.
Влияние систематического применения различных систем удобрения на агрохимическую характеристику почвы
Для получения научных данных применяли два метода исследований: проведение опытов (модельный, вегетационный, полевой); мониторинговые наблюдения в производственных условиях. Исследования выполнены в период 2010-2013 гг.
Вегетационный опыт проведен на вегетационной площадке кафедры агрохимии и агроэкологии Нижегородской ГСХА, полевой - на опытном поле учебного хозяйства Нижегородской ГСХА «Новинки», а мониторинговые исследования - на полях ООО «Агрофирма «Искра» Богородского района Нижегородской области. Лабораторные исследования выполнены в химических лабораториях кафедры агрохимии и агроэкологии НГСХА.
На территории Нижегородской области наиболее распространенными являются серые лесные почвы, занимающие 43,8% пашни (957 тыс. га). Из них светло-серые лесные почвы составляют 22,9% пашни (Панин A.M., 1993; Никитин Б.А., Гогмачадзе Г.Д., 2003). Эти почвы, находясь в достаточно благоприятных природных условиях, интенсивно используются для возделывания многих видов сельскохозяйственных культур. Характеризуясь относительно невысокой буферной способностью, агрохимические свойства данного подтипа почвы, в том числе и фосфатный режим, подвержены существенному антропогенному воздействию, что и предопределило выбор основного объекта исследования. В опытах использовали светло-серую лесную легкосуглинистую песчано-крупнопылеватую почву, которая характеризуется невысокой влагоемкостью и поглотительной способностью, склонностью к уплотнению пахотного горизонта (Архангельская A.M., Титова В.И., 2014).
Влияние разных систем удобрения на фосфатный режим почвы и на урожайность и качество отдельных культур в опытных условиях изучали на: 1) озимой пшенице Московская 39 (полевой опыт), сорт включен в Государственный реестр в 1999 г., оригинатор и патентообладатель сорта -НИИСХ Центральных районов Нечерноземной зоны (НИИСХ ЦРНЗ). Сорт среднеспелый, отзывчив на удобрения, практически не полегает и устойчив к ранневесенней засухе;
2) ячмене Зазерский 85 (полевой опыт), включенного в Государственный реестр в 1985 г. Ценный пивоваренный сорт с высокими вкусовыми качествами, вегетационный период 80-85 дней. Устойчив к осыпанию и полеганию, имеет защиту от поражения мучнистой росой и карликовой ржавчиной, в большей степени подвержен поражению пыльной головней.
Климат Нижегородской области умеренно-континентальный (коэффициент континентальное - 2 балла) с холодной многоснежной зимой и умеренно жарким летом.
Исследования были проведены в Богородском районе Нижегородской области, который по климатическому делению относится к IV агроклиматическому району - умеренно теплому, занимающему большую часть Правобережья Нижегородской области (Агроклиматические ресурсы..., 1967). Характерная черта данного района - достаточная обеспеченность сельскохозяйственных культур влагой и умеренная - теплом. Сумма среднесуточных температур воздуха за период с температурой выше 10 С составляет 2100 зо
Продолжительность периода с температурой выше 10 С равна 130-135 дням, выше 15 С - 80-90 дням. Заморозки весной прекращаются к 10 мая. Первые заморозки осенью начинаются 25-30 сентября. Продолжительность безморозного периода составляет 135-140 дней. Годовая сумма осадков составляет 450-500 мм, за период вегетации - 250-300 мм. Основная масса осадков (70-75 %) выпадает за теплый период. Часто наблюдаются засушливые периоды, особенно весной (Агроклиматический справочник, 1959).
Исходя из выше представленных данных видно, что температурный режим в период 2010-2013 годов по месяцам преимущественно превышает многолетнюю норму. Количество осадков, выпавших в теплый период, было весьма неравномерным как по отдельным периодам, так и в отдельные годы.
2010 год характеризовался наиболее высокими температурами: средние температуры по всем месяцам, за исключением июня, были выше среднего многолетнего значения на 0,2 (октябрь) - 5,3 С (июль). Температура воздуха в июне и июле отличалась относительной стабильностью, а в августе - сильным варьированием по декадам. В целом количество осадков, выпавших в вегетационный период 2010 г. было значительно ниже многолетней нормы, причем выпадали они весьма неравномерно. Со второй декады июня по первую декаду августа выпало лишь около 5% от нормативного количества осадков. В целом погодные условия 2010 г. были неблагоприятными для роста и развития сельскохозяйственных культур.
Оценивая условия перезимовки озимых, отмечаем, что в период с ноября 2010 г. по январь 2011 г. сильных морозов практически не было, среднемесячные температуры были близки по значениям к многолетней норме (Приложение 3), почва сильно не выхолаживалась и глубоко не промерзала.
Опасности повреждений озимых культур от морозов в зимний период не было. С середины января началось постепенное похолодание. В феврале среднемесячная температура была на 5,1 С ниже нормы. В результате прошедших снегопадов образовался снежный покров высотой меньше многолетней нормы, но погодные условия в целом не были опасными для сохранения посевов и снежный покров достаточно надежно защищал озимые культуры от вымерзания.
Оценка изменения фракционного состава минеральных фосфатов почвы при разовом внесении удобрения
При внесении минерального фосфора в вариантах Р, NP и РК накопление элемента было равноценным и достоверно более низким, чем при внесении полного минерального удобрения, несмотря на одинаковое поступление Р2О5 в почву, что можно связать с лучшим развитием корней растений в варианте с более сбалансированным питанием (NPK), и, соответственно возможностью «перекачивать» фосфор из более глубоких слоев почвы, обогащая тем самым пахотный горизонт.
Известкование не оказало однозначного влияния на накопление фосфора. Так, в почве контрольного варианта при известковании его содержалось на 200 мг/кг больше, чем в кислой почве, а при внесении полного NPK и ор-ганоминеральной системе - меньше на 82 и 165 мг/кг соответственно.
Несмотря на то, что фосфор характеризуется слабой миграционной способностью (Гинзбург К.Е., 1981), результаты наших исследований показали наличие существенных различий в содержании его общего запаса в почве разных вариантов, причем действие вносимых удобрений имело такой же характер, как и в пахотном слое, причем на известкованном фоне запас фосфора практически во всех вариантах (исключение вар. 3 и 8) было на 12-50 мг/кг ниже, чем в слое 0-20 см. В целом валовое содержание фосфора в подпахотном слое составило 28-48% от его количества в слое 0-20 см.
По данным литературы (Титова В.И. и др., 2005; Елыпаева И.В., 1998; Орлов П.В. и др., 2012), в зависимости от конкретных почвенных условий, агротехники, доз и форм применяемых удобрений доля органофосфатов в серых лесных почвах может варьировать от 14 до 44% от общего его запаса. В условиях нашего опыта доля органического фосфора составляет 11-31 % от общего его запаса на неизвесткованном фоне и 20-31% - при известковании (табл. 4.1).
Оценивая влияние удобрений на групповой состав фосфатов, отмечаем, что по отношению к контролю во всех вариантах, за исключением одностороннего внесения азота и фосфора, доля органофосфатов возрастала, достигая максимальных значений на фоне навоза и органоминеральной системы удобрения. Причем чем более сбалансированным было питание растений, тем выше была доля органического фосфора в общем его запасе.
Иные данные получены в подпахотном слое почвы (21-40 см). Так, на неизвесткованном фоне доля органофосфатов в почве контроля и при внесении минеральных удобрений (вар. 2-5) была на 2-11% выше, чем в гумусовом горизонте. При известковании их увеличение отмечено лишь на контроле (6%) и на фоне азота (7%). При использовании навоза (вар. 7 и 8) и полного минерального удобрения (вар. 6) доля органического фосфора в структуре почвенных фосфатов подпахотного слоя снижается по отношению к слою 0-20 см на обоих фонах. Таким образом, многолетнее внесение фосфорсодержащих удобрений повысило общий запас фосфора в пахотном слое почвы на 0,014-0,090% на неизвесткованном фоне и на 0,022-0,053% при известковании, в подпахотном - на 0,008-0,032% и 0,010-0,030% соответственно.
В слое почвы 0-20 см известкование способствовало повышению доли органического фосфора на контроле и при внесении минеральных удобрений на 2-10%, на фоне применения органических удобрений действие извести было несущественно, в слое почвы 21-40 см накопление органофосфатов наблюдалось во всех вариантах.
Исследования, проведенные в производственных условиях ООО «Агрофирма «Искра» показали, что валовое содержание фосфора в почве исследуемых участков варьирует от 946 до 1 096 мг/кг (поле 35) и от 1 090 до 1 290 мг/кг почвы (поле 36). Пространственная изменчивость валового содержания фосфора в почве незначительная (коэффициент вариации для поля 35 составил 4%, для поля 36 - 8%) (табл. 4.2, Приложение 22). В то же время, различия в запасе Р2О5 между отдельными элементарными участками на поле 35 достигают 400 кг/га, а на поле 36 - 600 кг/га.
Учитывая, что растения усваивают фосфор из минеральных соединений, интерес представляет оценка распределения его в почве по фракциям с разной степенью доступности.
Среди неорганических соединений фосфора в почве преобладают фосфаты кальция, железа и алюминия (Елыпаева И.В., 1998; Христенко А.А., 1998; Титова В.И. и др., 2005; Орлов П.В. и др., 2012). Причем по различным оценкам, даже в рамках одного типа почв, соотношения между этими фракциями могут существенно различаться. По данным В.И. Титовой с соавторами (2005), содержание фосфатов алюминия и железа может достигать 70% от суммы минерального запаса фосфора в почве. При этом отмечено преобладание Fe-P над А1-Р. Именно такое перераспределение связано с генетической структурой почвы и условиями сельскохозяйственного использования.
При этом ряд исследователей (Гинзбург К.Е., 1981; Христенко А.А., 1998) отмечают, что фракционный состав фосфатов в определенной степени зависит от формы фосфорсодержащих удобрений. Результаты исследования форм минерального фосфора в условиях модельного и вегетационного опытов (табл. 4.3, 4.4, Приложения 23-26) показали, что в процессе взаимодействия фосфорных удобрений с почвой наблюдалось изменение всех фракций фосфатов, причем размер их накопления зависел от формы удобрения.
Фосфоритная мука в одинарной дозе (0,4 г д.в./кг почвы) не оказала влияния на содержание рыхлосвязанных фосфатов (Rs-P) в почве, а наиболее высоким оно было при внесении суперфосфата. Увеличение доз водорастворимых фосфорных удобрений сопровождалось повышением содержания фракции Rs-P (суперфосфата в 1,4 раза, аммофоса - в 1,6 раза), тогда как от нерастворимого удобрения достоверного эффекта не наблюдали. Схожие закономерности выявлены в отношении фракций алюмо- и железофосфатов.
Несколько иные изменения отмечены для фракции кальцийфосфатов. Так, фосфоритная мука при внесении в двойной дозе оказала на накопление Са-Р в почве значительно большее влияние (увеличение по отношению к контролю составило в среднем за два года 62 мг/кг), чем аммофос (40 мг/кг) и незначительно уступала суперфосфату (71 мг/кг). В условиях вегетационного опыта наблюдали схожие изменения от действия изучаемых удобрений, но содержание фосфора всех фракций снизилось вследствие отчуждения его урожаем кукурузы (табл. 4.4).
Влияние систематического внесения удобрений на продуктивность зерновых культур в севообороте
Энергетическая (биоэнергетическая) эффективность систематического применения удобрений Интенсификация сельскохозяйственного производства, рост урожайности культур сопровождаются все большими затратами невозобновимой энергии, в том числе и за счет применения удобрений. В перспективе экономически выгодным будет считаться такой вариант производства, при котором затраты энергии на единицу продукции будут ниже, что потребует от специалистов знания основ расчета энергетической эффективности производства сельскохозяйственных культур (Методические указания ..., 1979; Методические указания ..., 2000; Силин В.Н., 2008). При расчете энергоэффективности применяемых в опыте удобрений использовали методику (Методические указания ..., 1979).
Количество энергии, накопленной в продукции, полученной от применения удобрений, может быть рассчитано по следующей формуле: Vf=nyR1el00, (1) где Vf - содержание энергии в основной продукции сельскохозяйственной культуры, МДж/га; ПУ- прибавка урожая, полученная за счет внесения удобрений, ц/га; Ri - коэффициент перевода единицы сельскохозяйственной продукции в сухое вещество; е - содержание общей энергии в 1 кг сухого вещества данной сельскохозяйственной культуры, МДж; 100 - поправочный коэффициент перевода ц в кг. Расчет энергозатрат (МДж) на применение удобрений ведут по следующей формуле: A0 = (HN х aN) + (Нр х аР) + (Нк х ак) + (Норг х аорг) + (Ни х ац), (2) где А0 - энергетические затраты на применение удобрений, МДж; HN, НР; Нк; Норг; Ни - дозы внесенных азотных, фосфорных и калийных удобрений, кг д. в./га; органических, кг/га; 105 аы; ар; ак, аорг; аи -энергетические затраты для азотных, фосфорных и калийных удобрений на 1 кг д. в.; для органических - на 1 т физической массы, МДж/кг (Методические указания, 1979; Агробиологические основы..., 2008). Энергетическая эффективность (энергоотдача или биологический КПД) применения удобрений определяется на основе методики ЦИНАО по формуле (Методические указания ..., 2000): п = V/ : А0, (3) где п - энергетическая эффективность, ед.; V/ - количество энергии, заключенной в основной продукции сельскохозяйственной культуры, МДж; А0 - энергозатраты на применение удобрений, МДж.
Как было отмечено ранее (глава 2), в опыте постоянно применяли хлористый калий, азот, преимущественно, в форме сульфата аммония, фосфор в форме суперфосфата до 2000 года, затем фосфоритной муки. Учитывая, что удобрения в опыте вносили вручную, при расчетах затраты энергии на данный процесс не учитывали. Результаты определения коэффициента энергетической ценности приведены в таблице 6.3.
Расчетные данные показывают, что применение всех удобрений в опыте на зерновых культурах было энергетически эффективно, лишь при внесении азота на неизвесткованном фоне коэффициент энергетической эффективности был на уровне единицы, в остальных вариантах он варьировал в достаточно широком интервале - от 1,30 до 3,85 единиц.
Наибольший энергетический эффект и на озимых, и на яровых зерновых культурах получен при внесении фосфорных удобрений и совместном применении их с калийными, что связано с относительно невысокими энергозатратами на производство этих удобрений.
Известкование, несмотря на дополнительные энергозатраты, существенно повысило энергоотдачу от применения азотных удобрений, в некоторой степени повысило эффективность полного минерального удобрения и совмест 106 ного его применения с навозом, а на ячмене, дополнительно, еще и эффективность навоза, и не оказало влияния на действие NP-удобрений.
Оценивая энергетический эффект применения удобрений на озимой пшенице, возделываемой в 2011 г., отмечаем следующее (табл. 6.4). На неизвесткованном фоне энергетически наиболее эффективным было применение фосфоритной муки (13,16) и сочетание ее с хлористым калием (10,60), что обусловлено низкими, по сравнению с азотными удобрениями, затратами на производство данных удобрений. Совместное применение азота и фосфора превосходило эффект от азотных удобрений и действовало на уровне полного NPK. Применение навоза было энергетически неэффективно. Известкование до некоторой степени выровняло варианты по данному показателю: если на неизвесткованном фоне коэффициент энергетической эффективности изменялся от 0,84 до 13,16 ед., то на фоне доломитовой муки вариации находились в интервале 1,01-3,94 ед. Следует отметить, что известкование способствовало повышению энергетической эффективности при внесения полного удобрения (варианты 6, 7, 8), снизив энергоотдачу в остальных вариантах. Наиболее значимые изменения отмечены при внесении фосфорных удобрений и их совместного применения с калийными, менее выражены эти изменения на фоне N и NP.
Таким образом, систематическое применение удобрений под зерновые культуры в период 1964-2012 гг. было агрономически и энергетически эффективно. По усредненным данным эффективность фосфорных удобрений на неиз-весткованном фоне выше, чем азотных на озимых культурах на 86%, на яровых -на 36%, минимальная отдача получена от органоминеральной системы, где окупаемость составила 4,56 и 4,01 кгз. е./кг д. в. соответственно, а максимальная - при внесении навоза. Известкование повысило окупаемость удобрений на 23-78% (озимые) и 3-67% (яровые).
