Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 5
1.1. Биологические особенности озимой пшеницы 5
1.2. Влага в почве и растениях 9
1.3. Гумусное состояние чернозёмов 11
1.4. Основные элементы питания в почве 17
2. Условия и методика проведения исследований 26
2.1. Агрометеорологические и почвенные условия 26
2.2. Методика исследований 31
3. Водный режим почвы под озимой пшеницей 35
4. Гумусное состояние чернозёма обыкновенного 43
4.1. Морфологическое описание почвенных разрезов 43
4.2. Содержание гумуса и его фракционно-групповой состав 47
5. Валовой азот и его состав в почве под озимой пшеницей 51
6. Фосфорный и калийный режимы почв 57
7. Динамика накопления сухого вещества и элементов питания растениями озимой пшеницы 65
8. Урожайность озимой пшеницы и её качество 73
8.1. Урожайность озимой пшеницы 73
8.2. Структура урожая озимой пшеницы 75
8.3. Качество зерна озимой пшеницы 77
9. Баланс элементов питания и гумуса в севообороте 80
10. Биоэнергетическая эффективность удобрений 86
Основные выводы 88
Список литературы 91
Приложения 109
- Основные элементы питания в почве
- Водный режим почвы под озимой пшеницей
- Содержание гумуса и его фракционно-групповой состав
- Валовой азот и его состав в почве под озимой пшеницей
Введение к работе
Актуальность темы. Многолетнее отчуждение питательных веществ из почвы с урожаями культурных растений без компенсационных мер, разрушительное действие эрозионных и других негативных процессов привели к значительному снижению почвенного плодородия, стали тормозом получения высокой и устойчивой продуктивности сельскохозяйственных культур, в том числе основной продовольственной культуры Ростовской области - озимой пшеницы.
В комплексе приёмов по сохранению плодородия почвы и повышению урожайности сельскохозяйственных культур одними из главных являются удобрения. Наиболее правильную оценку их эффективности дают исследования при длительном систематическом внесении в севооборотах. Недостаточность, а по многим вопросам отсутствие таких работ в зоне чернозёмов обыкновенных определяют их актуальность, необходимость проведения исследований.
Цель и задачи исследований. Целью исследований являлось изучение влияния длительного применения органических и минеральных удобрений на основные показатели плодородия чернозёма обыкновенного и продуктивность озимой пшеницы.
Задачами исследований предусмотрено:
1. Определить изменения содержания гумуса и его фракци- онно-группового состава в чернозёме обыкновенном при длительном применении удобрений в севообороте.
2. Изучить водный режим, содержание валового и минераль ного азота, подвижного фосфора и обменного калия в почве под озимой пшеницей.
Установить накопление азота, фосфора и калия растениями озимой пшеницы в течение вегетации и вынос их с урожаем.
Выявить особенности влияния длительного внесения удобрений на урожайность и качество озимой пшеницы.
5. Рассчитать баланс элементов питания, гумуса и биоэнергетическую эффективность удобрений в севообороте
Научная новизна исследований. Впервые в стационарном полевом опыте при длительном, 26-27- летнем внесении удобрений и без них определены изменения гумуса и его фракционно-группового состава по профилю чернозёма обыкновенного. Расширены и углублены знания о водном и пищевом режимах под культурой, изучена динамика накопления сухого вещества и элементов питания озимой пшеницей и её продуктивность. Рассчитаны баланс питательных веществ и гумуса, дана биоэнергетическая оценка длительного систематического применения удобрений в севообороте.
Основные элементы питания в почве
Азот является тем биогенным элементом, трансформация которого в почве определяется процессами гумусообразования и минерализации, биохимической активностью. Это накладывает отпечаток на природу азотных соединений почвы, представленных на 93-97 % органическими формами, основная часть которых входит в состав гумуса (Тюрин И.В., 1956; Кононова М.М.,1963; Mengel К., 1972; Адерихин П.Г., Щербаков А.П., 1974; Parton W.J., et. al., 1988). Однако наличие даже высокого уровня запасов валового азота в почве ещё не указывает на обеспеченность растений этим элементом - важен его состав. Э.И. Шконде и И.К. Королёва (1964) считали целесообразным изучение почвенного азота вести с помощью двухступенчатого кислотного гидролиза и разделяли его соединения на четыре группы: минеральный (аммиачный и нитратный), легкогид-ролизуемый (амидный, часть аминов), трудногидролизуемый (амин-ный, часть амидов и необменного аммония) и негидролизуемый (гу-мины, меланины, битумы и часть фиксированного аммония).
Агрономическую оценку различных групп почвенного азота дали Ф.К. Воробьёв и И.М. Мосолов (1940), Э.И. Шконде и И.К. Королёва (1964): 1) соединения, являющиеся непосредственным источником питания растений (минеральный азот); 2) соединения, составляющие ближайший резерв для питания растений (легкогидролизуе-мый и отчасти трудногидролизуемый); 3) потенциальные запасы азота (часть трудногидролизуемого и негидролизуемый). Определения, выполненные авторами на примере главнейших типов почв СССР, показали, что изменение их азотного фонда с помощью указанной методики лучше, чем другие методы, позволяет вскрыть закономерность превращения азота в почвах, более полно отражает их генетические особенности.
Провидением таких исследований в почвах Центрально-Чернозёмной зоны (Адерихин П.Г., Щербаков А.П., 1968; Щербаков А.П., Гетманец А.Я., 1976), Украины (Чесняк О.А., Чесняк Г.Я.,1978), Поволжья (Узун В.Ф., Алексеева A.M., 1973; Колоскова А.В., Шитова Л.И., 1974; Власова Т.А., 1999) установлена зависимость форм азота от генетических особенностей почв, гранулометрического состава, запасов гумуса, климатических особенностей, применяемой при возделывании сельскохозяйственных культур агротехники.
В пахотном слое чернозёмов Центрально-Чернозёмных областей минеральных соединений азота в содержится 1-2,5 % от валового, легкогидролизуемого - 5-9, трудногидролизуемого 13-18 % (Адерихин П.Г., Шконде Э.И. и др., 1967; Щербаков А.П., Рудай И.Д., 1983). При этом чернозёмы степных районов по сравнению с лесостепными отличаются пониженным содержанием легкогидролизуемого азота и повышенным трудногидролизуемого, что связано с засушливостью климата, препятствующего мобилизации подвижных форм (Шконде Э.И., 1974). Фракция негидролизуемого азота составляет примерно одинаковое количество (70-80 %) во всех чернозёмах Европейской территории страны (Адерихин П.Г., Щербаков А.П., 1974). Образование и накопление неорганического азота в почве определяется сложными процессами аммонификации, нитрификации, денитрификации, вымывания и улетучивания. Иммобилизация азота неизменно сопровождается вовлечением углеродистого энергетического материала, но одновременно наблюдается процесс минерализации, связанный с реминерализацией (Jansson S.L. 1958). Минера-лизационный же азот может быть повторно использован для органического синтеза.
В конечном итоге экологическое состояние этого круговорота определяет накопление в почве минерального азота, все формы которого, как указывал Д.Н. Прянишников (1945), могут служить источником питания растений.
Запасы непосредственно доступных растениям минеральных соединений азота (нитратов, нитритов, водорастворимого и обменного аммония) в почвах, как отмечалось нами ранее, невелики. Наибольшее количество нитратов в прикорневой зоне растений наблюдается во второй половине весны и осенью, резко выраженный минимум - летом в период активного роста культур за счёт потребления их растениями и микроорганизмами, снижения процессов аммонификации и нитрификации (Турчин Ф.В., 1972; Равенский В.А., 1979; Kovach С, 1987).
В течение вегетации растений запасы нитратного азота колеблются в широких пределах, в то время как аммонийного являются более стабильными (Кук Д.У., 1970; Коновалов И.Д., 1984; Ивойлов А.В., 1997). Чаще несколько большее содержание аммонийного азота обнаруживается ранней весной и поздней осенью, его динамика чётко выражена в основном для пахотного слоя почвы (Симакин А.И., 1969; Макаров Б.Н., 1988; Руделёв Е.В., 1992).
Нитратные формы азота, обладая высокой подвижностью, способны перемещаться за пределы корнеобитаемого слоя (Корень-ков Д.А., 1976; Кулаковская Т.Н., 1990; Шапошникова И.М., 1993). Особенно это характерно для районов с повышенным увлажнением, но такая миграция происходит при выпадении большого количества осадков и в засушливой зоне (Draycott A., Last Р., 1979; Ulehlova В., 1979). Наибольшие перемещения этой формы азота вниз по профилю происходят в осенне-зимний период. Запасы различных форм азота в почве значительно изменяются под влиянием удобрений. В чернозёмах обыкновенных Центрально-Чернозёмной зоны количество минерального азота оказалось несколько более высоким на вариантах с N96P52K142, легкогидролизуе-мого - 20 т/га навоза, трудногидролизуемого и негидролизуемого -на вариантах при совместном использовании NPK с навозом (Му-зычкин Е.Т.,1981). В чернозёмах Украины систематическое применение минеральных удобрений повышало содержание подвижных форм азота на 15-22% (Шевцова Л.К., Сизова Д.М., 1970). В работах А.П. Щербакова, А.Я. Гетманца (1976) также показано, что длительное внесение удобрений, особенно повышенных доз навоза и органо-минеральных смесей, улучшало азотный режим чернозёма. По данным Д.У. Кука (1975); Д.А. Коренькова (1976); Г.Г. Джанаева и др. (1977); А.А. Завалина (1995); Т.А. Власовой (1999), азотные удобрения существенно улучшали нитратный, в меньшей мере - аммонийный режимы почвы. Катион NH4+, в отличие от аниона NO3", энергично поглощался и прочно фиксировался почвой (Петербургский А.В., Смирнов П.М., 1964).
Водный режим почвы под озимой пшеницей
Важнейшим показателем почвенного плодородия, определяющим рост и развитие растений, является влага. Она - основной растворитель минеральных веществ, поглощаемых растениями, играет ведущую роль в энергетических преобразованиях, происходящих в растениях, в процессах, связанных с аккумуляцией солнечной энергии, в среде, где осуществляются биохимические и физиологические передвижения продуктов обмена из одних растительных органов в другие. Но только некоторая, весьма небольшая часть влаги потребляется сельскохозяйственными культурами, преобладающая же доля её отдаётся растениями окружающей среде, выделяясь при транспирации и гуттации. В этой связи важно установить, как изменяется водный режим почвы и потребление влаги культурами в различных условиях.
Водный режим почвы в посевной период озимой пшеницы 1999г. складывался крайне неблагоприятно. Вследствие малого количества осадков в августе и сентябре доступной влаги в пахотном слое почвы практически не было, недостаточно имелось её и в нижележащих слоях (табл. 3, рис. 2). По-другому складывались условия увлажнения в 2000 и 2001 гг. В пахотном слое запасы влаги колебались от 22 до 38 мм, в полутораметровом - от 126 до 141 мм.
В период весеннего отрастания озимой пшеницы во все годы исследований за счёт осенне-зимних осадков доступной влаги в слое почвы 0-150 см накапливалось достаточное количество - 199-264 мм. В фазе выхода в трубку содержание её снижалось, за исключением 2001 г., продолжая падать по всему профилю почвы до полной спелости зерна, особенно значительно в 2002 г. Только в 2000 г. после выпавших дождей количество доступной влаги в слое 0-50 см возрастало. В 2001-2002 с.-х. г. при высоких запасах влаги в посевное время и значительных осенне-зимних осадков, главным образом в виде дождя, влаги расходовалось существенно больше, чем в предыдущие годы. Часть её потреблялась вегетирующими растениями, другая была промыта в более глубокие слои почвы, остальная терялась в результате испарения.
От ранней весны до фазы выхода в трубку почти равное количество осадков выпало в 2000 и 2002 гг., несколько больше - в 2001г. Расход влаги за этот период оказался самым низким в первый год изу чения, максимальным - в третий год.
В последующие периоды - от фазы выхода в трубку до колошения и далее - до полной спелости зерна осадков также больше выпало в 2001 г., больше и расходовалось влаги. В 2000 г. количество осадков в эти межфазные периоды оказалось на уровне средне-многолетних значений, расход влаги несколько ниже в первый период, чем в 2001 г., во второй - самый низкий в сравнении с другими годами. В 2002 г. от фазы выхода в трубку до колошения осадки практически не выпадали, влаги расходовалось очень мало; от колошения до полной спелости при равном количестве осадков с 2000 г. потеря её больше в сравнении с 2000 г. незначительно меньше, чем в 2001 г.
В сумме за вегетацию (с учётом зимнего покоя озимой пшеницы) продуктивная влага менее всего расходовалась в 1999-2000 с-х. г., главным образом за счёт меньшего её запаса в посевной период и соответственно малого снижения за осень и зиму. В то же время в 2001-2002 с.-х. г. именно повышенный уровень этих показателей водного баланса определил по сравнению с другими годами больший конечный результат. В 2000-2001 г. благоприятные условия увлажнения складывались в течение всей вегетации. Уровень влагообеспеченности озимой пшеницы в посевной период во многом определяет урожайность культуры: максимальной она была в 2002 г., минимальной - в 2000 (см. раздел 8). Установлена прямая корреляция между урожайностью озимой пшеницы (у) и коэффициентом увлажнения по Н.Н. Иванову (1948) предпосевного, посевного и послепосевного месяцев (х): у = 12,2 ± 53,8х, при г = 0,83. Хорошее развитие её осенью обеспечивает успешную перезимовку, а влага, накопленная за осенне-зимнее время, используется в течение весенне-летней вегетации.
Содержание гумуса и его фракционно-групповой состав
На контроле стационара, где удобрения не вносили 26 лет, содержание С0бщ в пахотном слое чернозёма обыкновенного составило 2,28 % (табл. 6). По профилю почвы содержание гумуса снижается, но даже в горизонте С его имеется более 0,5 %. При внесении 7.7 т навоза + N37P28K18 в среднем за этот период (вар. 8) по сравнению с контрольным вариантом содержание общего углерода в горизонте АПах. увеличилось на 0.16 %, в А - 0,18, В - на 0,09. При внесении -10.8 т навоза + 1Ч67Р48Кзз (вар. 11) количество его в Апах. возросло на 0,27 %, в В - на 0,16 абсолютных процента, в горизонте А по сравнению с контролем не изменились.
Такое повышение количества органического вещества почвы от удобрений можно объяснить не только внесением навоза (прямое влияние), но и меньшей минерализацией гумуса при использовании растениями азота минеральных удобрений, большим накоплением (косвенное влияние) пожнивных и корневых остатков лучше развитых удобренных растений.
Установлено, что в составе гумуса на естественном фоне плодородия (вар. 1) в пахотном слое чернозема обыкновенного 44,3 % углерода представлены гуминовыми кислотами, 21,9 % - фульвокис-лотами, на долю нерастворимого остатка приходится 33,8 %. Отношение Сгк к СфК - 2,0, т. е. по классификации Д.С. Орлова, Л.А. Гришиной (1981), тип гумуса - фульватно-гуматный. Степень гумификации, оцениваемая как доля гуминовых кислот в общем количестве углерода, равная 42, указывает на "высокую" полноту преобразования органических веществ в гуминовые соединения. На вариантах с внесением удобрений содержание гуминовых и фульвокислот кислот в пахотном слое несколько возросло, но доля их в составе гумуса изменилась мало. Процент Сгк - 41,6-43,8, СфК -21,6-23,8. От горизонта ВС и ниже по профилю группа фульвокислот преобладает над гуминовыми. Гумус приобретает гуматно-фульватный характер, что хорошо заметно при графическом отображении профильного изменения его группового состава (рис. 4).
Точку пересечения кривых содержания гуминовых и фульво-кислот в профиле чернозёмов, согласно В.В. Пономарёвой, Т.А. Плотниковой (1968), принято считать нижней границей гумусового профиля. Систематическое внесение органических и минеральных удобрений в повышенных дозах расширяет границы гумусового профиля. Здесь преобладание фульвокислот над гуминовыми при применении 7.7т навоза + N37P28K18 (вар.8) наблюдается с глубины 86 см, 10.8 т навоза + N67P48K33 (вар. 11) - 95 см.
В составе гумусовых кислот чернозёма обыкновенного преобладают чёрные гуминовые кислоты фракции 2, связанные с кальцием. Их доля от общего углерода на контрольном варианте в пахотном слое -32,9 %, на вариантах 8 и 11 - 32,4 и 30,6 %. Содержание свободных и связанных с подвижными полуторными окислами гуминовых кислот (фракция 1) незначительна- 1,8 % (вар. 1) и 2,0 % (вар. 8 и 11). Содержание гуминовых кислот, связанных с полуторными окислами в устойчивых формах и глинистыми минералами (фракция 3) примерно одинаковое на всех вариантах опыта, составляя 9,0 - 9,6 % от углерода общего. В составе фульвокислот, как и в гуминовых, преобладающей фракцией является вторая, связанная с кальцием, в пахотном слое доля ее в составе общего углерода - 9,0-10,2 %. На фракцию 1 приходится наименьшее количество - 1,7 % на контроле, при внесении органических и минеральных удобрений - 2,9 % от Собщ. Содержание наиболее связанных фульвокислот (фракция 3) составляет 7,4-8,2 %.
Таким образом, в чернозёме обыкновенном при систематическом внесении удобрений увеличивается не только органического вещества в верхнем, наиболее гумусированном слое, но и в более глубоких слоях, где расположена точка перехода отношения Сгк:СфК.
Валовой азот и его состав в почве под озимой пшеницей
Дегумификация чернозёмов повлекла за собой коренные изменения азотного фонда, что определяет необходимость по-новому оценить процессы трансформации различных соединений азота, его потери, доступность растениям, поглотительную способность почвы в отношении азотных удобрений. Содержание валового азота в пахотном слое чернозёма обыкновенного за три ротации девятипольного севооборота на контроле без удобрения по сравнению с исходным снизилось на 0,023 абсолютных процента, при внесении 7,4 т навоза + N37P27Ki8 в среднем на 1 га севооборотной площади за 27 лет практически осталось на прежнем уровне, 10,4 т навоза + N66P49K34 - увеличилось на 0,09 % (табл. 7, рис. 5). Валовой азот и его фракционный состав в чернозёме обыкновенном Существенно изменился его фракционный состав, проведённый методом двухступенчатого кислотного гидролиза по Э.И Шкон-де и И.Е. Королёвой (1964). Содержание минерального азота (нитратного, нитритного, аммонийного) в 1974 г. составило 8,4 мг/100 г, в 2002 г. упало на 67 % на контроле без удобрения, на 54 - при внесении 7,4 т навоза + N37P27K18, повышенной дозы - 10,4 т навоза + N66P49K34 - на 46 %. Содержание легкогидролизуемого азота (часть аминов, амиды) и трудногидроли-зуемого (амиды, амины, необменный аммоний, гумины) также уменьшилось, но не столь существенно, как минерального: соответственно на 10 и 36 % на контроле, 11 и 32 % - на варианте со средними дозами удобрений, на 9 и 18 % — с повышенными. Эти фракции трансформируются в легкоусвояемые формы медленнее, чем азот выносится растениями, переходит в более недоступные формы и теряется безвозвратно. Негидролизуемый азот (гумины, меланины, битумы, часть фиксированного аммония), практически недоступного растениям, на контроле и при внесении средних доз удобрений изменился несущественно, в повышенных дозах - увеличился на 10 %, а доля его в составе валового азота на всех вариантах возросла.
Содержание минерального азота (нитратного и аммонийного) в почве под озимой пшеницей, определяемого стандартными методами, на контроле без удобрения (вар. 1) и при использовании 8,5 т навоза в среднем на 1 га севооборотной площади (последнее внесение за 4 года до посева пшеницы) в годы исследований очень низкое с некоторым уменьшением в полуметровом слое от начала весеннего отрастания (6,3-5,0 мг/кг) до выхода растений в трубку и колошение (3,6-4,2 мг/кг), повышением к концу вегетации (5,3-5,7 мг/кг), (табл. 8). В нижних слоях направление этих изменений в основном такое же. Весенняя азотная подкормка озимой пшеницы в дозе 60-67 кг/га (вар. 8, 12) на фоне ранее внесённых минеральных и органических удобрений увеличивала содержание NMHH по сравнению с контролем в 1.5 раза, в дозе 90 кг/га (вар. 4, 9, 10, 11) - в 2-3. В фазах выхода в трубку и колошение на вариантах без поздней азотной подкормки (вар. 8, 12) содержание минерального азота резко падало, но к концу вегетации, как и на контроле без удобрения, повышалось. На вариантах 4, 9, 10 и 11 с повышенными дозами удобрений в фазе выхода в трубку его количество уменьшалось и было минимальным, но после проведения в конце этой фазы азотной подкормки - возростало и вновь уменьшалось к фазе полной спелости зерна. Повышение запасов минерального азота в почве к концу вегетации озимой пшеницы на естественном фоне и при ранневесеннем использовании азотных удобрений в подкормку можно объяснить прекращением потребления азота растениями. На вариантах с поздней подкормкой отсутствие такого роста NMHH, по-видимому, связано с большим потреблением азота лучше развитыми растениями, с одной стороны, высокой денитрификацией, - с другой. По годам исследования закономерность динамики минерального азота в основном сохранялась, однако уровень содержания его оказался неоднозначным: большим, как правило, в 2002 г., самым низким - в 2000 г. (приложения 1, 2, 3). Содержание аммонийного азота в почве чаще превышало содержание нитратного. Но в отдельные фазы вегетации растений и отдельные слои почвы это соотношение направлено в сторону большей доли N-NO3. В 2000 г. такое превышение имело место почти во все сроки наблюдений в слое почвы 0-150 см, на вариантах с удобрениями в отдельные фазы - и в слое 50-100см; в фазе полной спелости - в слое 0-30 см.
