Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 5
1.1. Особенности дерново-подзолистых почв Северо-Запада 5
1.2. Вымывание элементов питания при инфильтрации атмосферных осадков 8
1.2.1. йдоывание азота 9
1.2.2. Вымывание фосфора 13
1.2.3. Вымывание калия 15
1.2.4. Смывание и баланс кальция 21
1.3. Пути снижения вымывания 28
2. Условия и методы проведения исследований 39
2.1. Методика проведения опытов 39
2.2. Методы химических анализов почвенных, растительных образцов, проблизиметрических вод и ионитов 52
2.3. Метеорологические условия в годы проведения опытов 53
3. Изменение агрохимических свойств почвы под влиянием известкования и минеральных удобрений. влияние известкования и минеральных удобрений на урожайность сельскохозяйственных культур, их химический состав и качество 57
3.1. Изменение агрохимических свойств почвы под влиянием известкования и минеральных удобрений 57
3.2. Влияние известкования и минеральных удобрений на урожайность сельскохозяйственных культур 65
3.3. Химический состав и качество сельскохозяйственных культур при известковании и применении минеральных удобрений 76
4. Вымывание элементов штанин растений атмосферными осадками 91
4.1. Влияние известкования и минеральных удобрений на вымывание азота 93
4.2. Вымывание фосфора 107
4.3. Вймывание калия ИЗ
4.4. Вымывание кальция из пахотных кислых и известкованных почв различного механического состава 128
4.5. Баланс кальция в опытах с известью, меченой Са 168
5. Экономическая оценка известкования кислых почв и потерь питательных веществ за счет вымывания 172
Выводы 175
Предложения производству 178
Список использованной литературы 179
Приложения
- Вымывание элементов питания при инфильтрации атмосферных осадков
- Методы химических анализов почвенных, растительных образцов, проблизиметрических вод и ионитов
- Влияние известкования и минеральных удобрений на урожайность сельскохозяйственных культур
- Вымывание кальция из пахотных кислых и известкованных почв различного механического состава
Введение к работе
Воздействие человека на почву и природные биоценозы с кандым годом становится все сильнее. В 1985 г. планируется поставить сельскому хозяйству СССР 115 млн.т минеральных удобрений (в пересчете на стандартные туки) /144/. В решениях 26 съезда КПСС /I/ и в Продовольственной программе СССР на период до 1990 г. /2/ отмечено, что дальнейший подъем сельского хозяйства может быть реально осуществлен только на основе всемерного повышения плодородия почв, которое невозможно без известкования кислых почв. В целом в Нечерноземной зоне свыше 42 млн.га пашни имеют сильно- и среднекислую реакцию, а значит нуждаются в известковании."Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 гг. и на период до 1990 г." /3/ предусмотрено-дальнейшее расширение работ по его проведению. В условиях промывного водного режима почв непроизводительные потери элементов питания от вымывания под воздействием извести и минеральных удобрений могут достигать: азота - 5-15 кг/га; фосфора - 0,03-0,9; калия -10-20; кальция - 200-400 кг/га ежегодно. Отсюда ясно,какой урон наносит ежегодно вымывание сельскому хозяйству и природным биоценозам.
В настоящее время встает вопрос не только об установлении размеров потерь элементов питания при инфильтрации атмосферных осадков, но и о поисках путей снижения этих потерь. Изучению потерь элементов питания растений при инфильтрации из корнеобитаемого слоя почв северо-запада Нечерноземной зоны и поискам путей снижения вымывания и посвящена эта работа. "Громадные и все возрастающие масштабы воздействия человека на природу, создавая основу развития производственных сил, вызвали к жизни проблему сохранения природы, сохранения окружающей среды." (В.М.Клечковский,1972)/93/
Вымывание элементов питания при инфильтрации атмосферных осадков
Размеры вымывания элементов питания растений зависят, по литературным данным, от ряда факторов: содержания элемента в почве, количества внесенного в почву удобрения, сопутствующих ионов, количества выпавших осадков, возделываемой культуры, окультурен-ности почвы и других /26, 31, 38, 40, 54, 83, ИЗ, 116, 184, 188, 200, 210, 215, 237/.
Из основных питательных элементов азот в форме нитратов легче всего перемешается в почве и, если не поглощается растениями, то вымывается и улетучивается. По мнению Могиндовид Л.С. и Глези-ной О.М. /ІЗЗ/ величина потерь азота зависит от обеспеченности почвы его подвижными формами и от количества просочившихся за год осадков. Чем их больше, тем интенсивнее происходит миграция азота в глубокие слои почвы. В литературе давно уже сложилось представление, что в средней полосе Европейской части СССР примерно столько же азота теряется вследствие вымывания из почвы, сколько поступает с осадками /26/. Однако, как показано более поздними исследованиями, потери от вымывания зависят от растения, которым занято поле /131/. Чем дольше поле занято культурой с живой корневой системой, тем меньше опасность вымывания растворимых соединений азота. Наиболее значительные потери этого вещества отмечены в чистом пару.
По данным ряда исследований, миграция азота по профилю почв происходит в виде нитратов, нитритов, водорастворимого аммония и органических соединений. В промывных водах на 98-99$ преобладает азот нитратов /32, 33, 60, 91, 97/.
Установлено, что ион аммония легко сорбируется почвой, необ-менно связывается глинистыми минералами, в большей степени используется микроорганизмами. Вымывание аммония может происходить в отдельные месяцы при орошении, на почвах легкого механического состава при интенсивном применении удобрений /23, 71, 116, 192/. тс
В опытах с использованием меченого азота ( н) определено,что в отличие от природного азота почвы высокий уровень содержания нитратов удобрений наблюдается только в первые сроки внесения их под культуру /39, 107, 138/. Варкшкина Н.М. считает, что вымывание не является основной причиной потерь азота удобрений и в опытах с умеренными нормами на легких почвах и почвах тяжелого механического состава не превышает 1-3$ от внесенного количества.
Для почв Западной Сибири характерно длительное и глубокое промерзание и постепенное оттаивание весной. В период возобновления деятельности микрофлоры более половины азотных удобрений закрепляется в органическом веществе почвы, что снижает возможность потерь при вымывании /46/.
Использование и позволяет определить также и величину миграции остаточных количеств азота удобрений в процессе последующего превращения. За 6 лет последействия из слоя 0-120 см дерново-подзолистой почвы Московской области вымывалось 14$ остаточного азота. За летний и осенний, периоды на 7 и 8 годы последействия в лизиметрических водах было 0,9$ остаточных количеств азота в варианте с дерново-подзолистой супесчаной почвой и 0,15$-с тяжелосуглинистой /172, 173/.
По данным Кудеярова В.Н. и Башкина В.Н. /108/, грунтовые воды, формирующиеся в условиях хорошо освоенных сельскохозяйственных угодий, содержат 0,11-17 мг/л нитратного азота.
Известно, что процесс просачивания влаги является функцией многих факторов: частоты и характера выпадения дождей, температуры, растительности, механического состава почвы. По мнению Бо-брицкой М.А. /26/ количество ила и состояние почвенных коллоидов имеют некоторое значение при просачивании осадков через почвенную толщу, но их роль не является определяющей. Бобрипкая М.А. /31/ приводит данные о влиянии различных факторов на величину потерь азота из почвы: растительный покров механический состав проницаемость почвы запас азота в почве мобилизация азота и его закрепление азот удобрений. В почвах Нечерноземной зоны нельзя, по ее мнению, ожидать значительных потерь азота путем вымывания, так как дерново-подзолистые почвы бедны им (около 0,14$). Запас азота в пахотном слое по Тюрину И.В. и Соколову А.В. /193/ составляет 3,3 т/га. Ощутимые потери от вымывания наблюдали на почвах легкого механического состава (например, под зерновыми -до 18 кг/га) /30/.
В результате исследований, проведенных на Лимбургерхофской опытной станции в 1927-1977 гг. /133/, установлено, что при количестве осадков меньше 600 мм вымывание азота под картофелем и кукурузой составило 14 кг/га, под озимой рожью и яровым рапсом -27 кг/га, а при количестве осадков больше 600 мм - в среднем 43 кг/га. С увеличением осадков, даже без внесения азотного удобрения, потери азота увеличивались.
Киссель Д. установил /233/, что нитраты движутся с потоком воды по мере увлажнения воздушно-сухой почвы. В зависимости от поступления осадков и механического состава почвы вода и нитраты передвигаются либо по трещинам и крупным порам, либо в период длительного увлажнения, фронтально по всей толще. Вилд А. /246/ предполагает, что поступающие атмосферные осадки могут довольно быстро просачиваться вглубь профиля, не вымывая нитратов, находящихся внутри структурных отдельностей почвы. Иоффе Й. /232/ просачивание осадков связывает с состоянием почвенных коллоидов, считая, что в засушливые периоды коллоиды свертываются и водопроницаемость при этом увеличивается. В дождливую погоду коллоиды набухают и тормозят отток влаги.
Методы химических анализов почвенных, растительных образцов, проблизиметрических вод и ионитов
Анализы растительных образцов проводили по общепринятым методикам. Для определения NPK в одной пробе образцы подвергали мокрому озолению по методу Гинзбург-чЯебедевой и в полученной вытяжке определяли: азот - на аппарате Сереньева, фосфор - по фосфор-молибденовому комплексу колориметрически, калий - на пламенном фотометре. Для определения кальция и магния пробу озоляли в муфельной печи, растворяли в соляной кислоте, а затем титровали трилоном Б /149/.
В почвенных образцах рН определяли электрометрически, гидролитическую кислотность - по Каппену; сумму поглощенных оснований - по Кашену-Гильковицу; обменную кислотность и подвижный алюминий - по Соколову /13/, кальций и магний - трилонометриче-ски, подвижный фосфор и обменный калий - по Кирсанову /149/.
В лизиметрических водах азот определяли после дистилляции на аппарате Кьельдаля с колориметрическим окончанием с реактивом Несслера, фосфор - по Мэрфи-Райли /12/ с аскорбиновой кислотой, калий - на пламенном фотометре, кальций и магний - трилономет-рически. Подготовка почвенных и растительных образцов для определения меченого кальция заключалась в следующем: навеска сухого размолотого материала оголялась в фарфоровом тигле в муфеле при 550С. Зола растворялась в 6н HCI и количественно переносилась в стаканы. Затем к зольному раствору добавляли насыщенный раствор щавелевой кислоты и раствор аммиака до рН 4. После осаждения оксала-та кальция, он переносился на бе з зольный фильтр, сжигался в муфеле и растворялся в 6н НСІ. Общее содержание кальция определяли на пламенном фотометре, а по 0,5-1 мл наносили на мишень и, после подсушивания под инфракрасной лампой, проводили измерение радиоактивности. Так как измерениям радиоактивности кальция в почвенных вытяжках мешает естественная радиоактивность калия, то, так же, как и для растений, проводилось оксалатное осаждение кальция и отделение его от мешающих ионов. Валовое содержание кальция определялось после двукратного кипячения навески в 6н HGI и осаждения полуторных окислов уротропином.
Анализ ионитов из ловушек проводили следующим образом: извлеченный из ловушки ионит тщательно перемешивали, отбирали среднюю пробу, помещали ее в воронку іуча и отмывали Зн НСІ до отрицательной реакции на ион железа с роданидом калия (так как ион железа прочнее других катионов удерживается катионитом), затем пробу отмывали дистиллированной водой до отрицательной реакции на ион хлора. В элюате определяли кальций трилонометрически после осаждения полуторных окислов уротропином, калий - на пламенном фотометре.
Все опыты были расположены вблизи Белогорки (бригада Невская Горка и световая площадка отдела агрохимии СЗНИЖХ). Поэтому в данном разделе приводятся результаты наблюдений Белогорской аг-рометеостанции, любезно предоставленные нам ее сотрудниками.
Опытно-производственное хозяйство "Память Ильича", в которое входит бригада Невская Горка, расположено в южной части Ленинградской области. Б этой местности, по данным метеостанции "Бе-логорка", за год выпадает 550-600 мм осадков, причем большая часть их (около 420 мм) падает на теплый период года. Безморозный период продолжается 140-150 дней. Активный вегетационный период составляет 130-140 дней. Сумма температур за этот период - около 2100. Заморозки начинаются в конце сентября и заканчиваются во второй декаде мая. Снежный покров устанавливается во второй декаде декабря и держится на полях до конца марта. Метеорологические условия в годы проведения опытов отражены на рис. 2.5 и в таблицах 2 и 3 приложения 2. Как видно из представленных данных, погодные условия в годы проведения опытов были разными. В 1976 году средняя температура воздуха за период с июля по август была на 1-2С ниже, чем средняя многолетняя.Осадки за это время выпали в количестве 396 мм и распределялись относительно равномерно во времени.
Первая половина вегетационного периода 1977 года была на +1С теплее средней многолетней температуры воздуха, а вторая половина - холодаее на 0,5-1,2С. При этом выпала почти норма осадков, однако распределялись они очень неравномерно: если в июне выпало на 43 мм осадков меньше нормы, то в последней декаде июля выпала месячная норма осадков, а всего за месяц - на 50 мм больше, чем обычно. Август был засушливым.
Вегетационный период 1978 года характеризовался более низкими температурами, чем средние многолетние показатели. Пониженная температура воздуха сопровождалась неравномерным выпадением осад ков. Так, в первой и третьей декаде мая, первой декаде июня осадков не было совсем. В августе и сентябре выпадали обильные дожди. Всего за теплый период 1978 года осадков выпало на 74 мм больше нормы. Все это отрицательно сказалось на развитии растений в начальный период и в период налива зерна и созревания. Начало лета 1979 года было очень жарким и сухим. В этот период приходилось поливать растения в микрополевых опытах, чтобы они не погибли. В июле осадков выпало на 45 мм больше среднегодовой нормы. 1980 год отличался жарким июнем (температура была на 3С выше средней многолетней) и пониженными температурами в июле-августе и большим количеством осадков. Все это отрицательно сказывалось на развитии растений.
Влияние известкования и минеральных удобрений на урожайность сельскохозяйственных культур
Влияние известкования и минеральных удобрений на урожайность сельскохозяйственных культур рассматривалось в звене полевого севооборота: яровые зерновые - многолетние травы 1г. п. -многолетние травы 2 г. п. - пропашные. Культуры, отобранные для опытов, районированы в зоне. Известкование и применение минеральных удобрений положительно сказывались на величине урожайности возделываемых культур. Эффективность известкования зависит прежде всего от свойств почв и биологических особенностей культур, в первую очередь, от их чувствительности к кислотности. На это указывают многие исследователи /42, 65, 101, 185/. По данным Корнилова М.Ф. и Труниной З.В. /100/, не только различные виды культур, но и сорта одной культуры, выведенные в различных климатических зонах, могут обладать разной отзывчивостью на известкование. Причины различия в отзывчивости отдельных видов растений на условия в кислых почвах до конца не выяснены /22, 43, 99/. Ряд ученых связывают различную устойчивость растений к почвенной кислотности с тем, что экологические свойства форм растений (потребность в питательных элементах, отношение к действию факторов внешней среды) отражают почвенно-кли-матические особенности районов, в которых происходило их формирование. Сорта, сформировавшиеся на кислых почвах, например,обладают более совершенным аппаратом гомеостаза по отношению к реакции среды, чем сорта, сформировавшиеся в нейтральных условиях. Одной из возможных причин неодинаковой устойчивости растений к повышенной кислотности могут быть различия в емкости и свойствах сорбционного комплекса корней /94/. По мнению Крейе-ра К.Г., существует связь между устойчивостью различных видов и сортов растений к кислотности и проницаемостью цитоплазматичес-ких мембран, определяющейся свойствами образующих их белков и липидов. Значение адсорбционного процесса заключается в концентрировании на клеточной поверхности метаболически активных и балластных веществ. Накопление ионов в сорбционном комплексе корней создает благоприятные условия для дальнейшего поглощения. Величина катионообменной емкости неодинакова у разных видов растений и изменяется с возрастом. Сорта с низкими значениями катионообменной емкости обычно устойчивы к повышенной кислотности и связанному с ней избыточному содержанию в среде ионов алюминия. Среди сортов с максимальными значениями катионообменной емкости часто встречаются сорта, отличающиеся повышенной чувствительностью к кислой реакции. У сортов, устойчивых к кислотности, как при под-кислении, так и внесении извести, величина катионообменной емкости существенно не изменяется. У чувствительных к кислотности сортов значения катионообменной емкости заметно снижаются при подкислении и увеличиваются при внесении в кислую почву извести /104/.
В полевом опыте 226, заложенном на вновь освоенном участке дерново-подзолистой супесчаной почвы, в год закладки выращивали яровую пшеницу "Ленинградка" (табл. 3.3). Из приведенных данных видно, что внесение известняковой муки в норме 5,9 т/га существенно повышало урожайность пшеницы на вариантах без применения минеральных удобрений и на умеренном фоне (н gQPggKgQ). Известкование почвы на удвоенном фоне минеральных удобрений не давало существенных прибавок зерна. То есть величина урожайности яровой пшеницы в данном опыте определялась не уровнем известкования, а уровнем минерального питания. Так как известь оказывает влияние на пищевой режим почвы, создавая условия для более интенсивной мобилизации питательных веществ, урожайность возрастает. Применение минеральных удобрений не только создает более высокий уровень для питания растений, но и косвенно снижает чувствительность растений к кислой реакции среды и токсическому действию алюминия. На повышение устойчивости растений к неблагоприятным факторам при обеспеченности элементами питания указывается и в работах многих авторов /10, 98 и др./. При внесении 5,9 т/га известняковой муки уровень реакции почвы достигал P%QJ 5,2-5,5, что оказалось достаточным для нормального развития яровой пшеницы "Ленинградка".
Вымывание кальция из пахотных кислых и известкованных почв различного механического состава
Мы изучали вымывание кальция при различных уровнях известкования кислых дерново-подзолистых слабоокультуренных почв и применении минеральных удобрений различных видов. Использовали смесь простых удобрений (аммиачной селитры, простого суперфосфата и хлористого калия), нитроаммофоску, так называемые "удобрения длительного действия", предложенные нам сотрудниками Ленинградского Технологического института имени Ленсовета, и фосфаты калия и аммония.
Первоначально предполагалось, что "удобрения длительного действия", - это обычные удобрения, покрытые оболочками из различных материалов, - будут высвобождать элементы питания постепенно, доставляя их растениям в критические периоды развития. Это должно было положительно сказываться на величине урожая, сельскохозяйственных культур, их качестве, химическом составе. Как следствие постепенного высвобождения элементов питания в критические периоды развития культур и повышения их урожайности,возможно было ожидать снижения вымывания по сравнению с обычными удобрениями. Применение фосфатов калия и аммония должно было снижать вымывание кальция в силу того, что в этих соединениях отсутствуют легкоподвижные, не адсорбируемые почвой анионы.
Для проверки выдвинутой рабочей гипотезы в 1976-1982 гг. нами было проведено 5 лизиметрических микррполевых многолетних опытов по несколько различающимся схемам, но объединенных общей идеей. Целью опытов было: установить потери кальция в зависимости от уровня реакции почвы и применяемых удобрений.
В результате проведенных лизиметрических исследований установлено, что концентрация кальция в лизиметрических водах может колебаться в широких пределах (от 20 мг/л до 200-400 и даже 700 мг/л). Это связано с действием многих факторов: с механическим составом почв, нормой извести, минеральными удобрениями, растительным покровом.
По данным, представленным в табл.4.25-4.27, можно говорить о том, что в лизиметрических водах песчаной почвы концентрация кальция ниже, чем в водах супесчаной и глинистой почвы. Как известкование, так и применение минеральных удобрений, повышало концентрацию кальция, причем на песчаной почве значение этих факторов было несколько меньше, чем на почвах супесчаной и глинистой при выращивании клевера, и больше - при выращивании яровых зерновых.
В период, когда концентрация кальция в лизиметрических водах была наибольшей, при увеличении нормы извести в 3 раза на песчаной почве концентрация кальция возросла в 1,5-2 раза, на супеси увеличение нормы извести в 4,5 раза привело к росту концентрации в 1,5 раза, на глине соответственно в 6 и 2-3 раза. Это несоответствие связано, вероятно, с наличием в почве и на третий год после известкования непрореагировавшей с почвой извести.
Под яровыми зерновыми наибольшая концентрация кальция отмечена в период перед уборкой урожая или при откачке вод вскоре после уборки (см. табл.4.25 и 4.26 - 1978 год, табл.4.27 - 1980 г.). Это связано с деятельностью корневой системы растений, с превышением в этот период расхода растениями влаги на транспирацию над поступлением элементов питания, а также небольшим обычно количеством осадков в это время года. При выращивании озимой ржи и клевера этого явления не наблюдалось. «Действие минеральных удобрений на концентрацию кальция в лизиметрических водах также наиболее четко прослеживается при выращивании яровых зерновых культур. На песчаной почве при увеличении дозы удобрений с їїбоР$о%0 д0 HI20 I2(ft!20 конп-ентРа ция кальция в водах повысилась 15 августа 1978 г. в 1,5-2 раза, на супесчаной и глинистой почвах - в 2-2,5 раза. На глинистой почве отмечено достоверное повышение концентрации кальция также и на удобренных вариантах, также и при выращивании клевера, в то время как на песчаной и супесчаной почвах значительного повышения концентрации при выращивании озимой ржи и клевера не наблюдалось.
Рассмотрим теперь влияние на концентрацию кальция в лизиметрических водах различных форм минеральных удобрений (табл. 4.28 и 4.29). Как уже отмечалось ранее, первоначально предполагалось, что удобрения длительного действия (УД) и фосфаты калия и аммония должны снижать вымывание элементов питания атмосферными осадками по сравнению с действием обычных удобрений: первые, благодаря постепенному высвобождению элементов питания; вторые -за счет образования слабоподвижных соединений и как не содержащие легкоподвижных анионов.
По наблюдениям Гассер Й. /229/,из минеральных удобрений наибольшее вымывание кальция вызывает сульфат аммония - внесение I ц тука сопровождалось потерей І ц извести. По данным ряда исследователей /38, 102, 189 и др./ кальций в фильтрующихся водах в основном находится в соответствии с содержанием анионов сильных кислот, а эти вещества в почву в больших количествах вносятся именно с минеральными удобрениями.
