Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Повышение урожайности ячменя и улучшение его кормовых и пивоваренных качеств посредством удобрений (обзор литературы) 7
1.1. Значение ячменя 7
1.2. Роль минеральных элементов в питании растений 10
1.3.Урожайность и качество зерна ячменя в зависимости от минеральных удобрений 21
Экспериментальные исследования
Глава 2. Почвенно-климатические условия и методика проведения исследований 29
2.1. Краткая характеристика почвенно-климатических условий ЦЧЗ и места проведения исследований 29
2.2. Погодные условия в Каменной Степи за 2003-2005гг. 31
2.3. Методика исследований 37
Глава 3. Влияние различных доз минеральных удобрений на водные и химические свойства чернозема обыкновенного при возделывании пивоваренных сортов ячменя 41
2.1. Водный режим почвы 41
3.1. Пищевой режим почвы 50
3.2.1. Нитратный азот 52
3.2.2. Подвижный фосфор 54
3.2.3. Обменные калий, кальций и магний 61
3.2.4. Подвижные микроэлементы 66
Глава 4. Урожайность пивоваренных сортов ячменя и его качество в зависимости от доз минеральных удобрений 71
4.1. Урожайность ячменя 71
4.2. Влияние минеральных удобрений на динамику белка в основной и побочной продукции ячменя 76
4.3. Содержание зольных элементов в урожае пивоваренных сортов ячменя 83
4.4. Вынос азота, фосфора и калия с урожаем зерна ячменя и коэффициенты их использования из минеральных удобрений 92
Глава 5. Эффективность применения минеральных удобрений при выращивании ячменя 95
Выводы 99
Предложения производству 101
Список использованной литературы 102
Приложение 127
- Роль минеральных элементов в питании растений
- Погодные условия в Каменной Степи за 2003-2005гг.
- Подвижные микроэлементы
- Эффективность применения минеральных удобрений при выращивании ячменя
Введение к работе
Актуальность темы Ячмень называют культурой всех широт, его выращивают в условиях высокогорья, и за Полярным кругом, и в экваториальной Африке По посевным площадям - это четвертая в мире культура после пшеницы, риса и кукурузы
В России яровой ячмень является основной зернофуражной культурой, удельный вес которого в зернофуражном балансе достигает 70% В зерне ячменя содержится 50-60% крахмала, 10-14% белка, 5,5% клетчатки, 2,1% жира
Білок ячменя характеризуется комплексом незаменимых аминокислот В его состав входят треонин, валин, метионин и особенно лизин Лизин ячменя эффективно используется дрожжами в процессе брожения, в связи с чем эта ами юкислота имеет важное значение в пивоварении. Следует отметить, что условия Центрально-Черноземной зоны наиболее благоприятны для возделывания ячменя на пивоваренные цели, поэтому доля этого региона в общероссийском производстве пивоваренного ячменя в 1999-2000 годах составила 82%
0:новой современных технологий возделывания пивоваренного ячменя явлжтся сорт, обладающий высоким энергетическим потенциалом, экологической приспособленностью к условиям среды, обеспечивающий высокую продуктивность, качество, устойчивость к различным заболеваниям (А Ю А Ядиев, 2006)
Ячмень является высокотребовательной культурой к условиям произрастания В связи с этим повышение урожайности и улучшения качества зерна ячменя возможно только путем эффективного использования почвенно-климатнческого потенциала местности и применения удобрений
Н достаточная изученность вопросов применения минеральных удобрений год пивоваренные сорта ячменя местной и зарубежной селекции на
4 черноземе обыкновенном Центрально-Черноземной зоны послужили основанием для выполнения настоящей работы
Диссертационная работа является составной частью НИР отдела агрохимии НИИСХ ЦЧП им В В Докучаева РАСХН по выполнению государственной тематики 0 51 02 «Разработать и внедрить методы комплексной химизации сельского хозяйства и системы удобрений при интенсивном земледелии, обеспечивающие повышение урожайности в различных почвенно-климатических зонах страны»
Цель и задачи исследований Целью настоящих исследований является разработка приемов повышения урожайности и качества зерна пивоваренных сортов ячменя путем применения различных доз минеральных удобрений
При этом решались следующие задачи
Установить динамику изменений водных свойств чернозема обыкновенного под влиянием удобрений
Выявить динамику макро- и микроэлементов в почве под влиянием различных доз минеральных удобрений
Определить урожайность зерна пивоваренных сортов ячменя Одесский 100, Аннабель, Турингия и его качество в зависимости от доз минеральных удобрений
Раскрыть закономерность усвоения растениями ячменя питательных веществ из почвы и минеральных удобрений
Оценить окупаемость удобрений и дать биоэнергетическую оценку технологий возделывания пивоваренных сортов ячменя при разных дозах минеральных удобрений
Научная новизна данной работы заключается в том, что впервые в условиях юго-востока ЦЧЗ установлены наиболее эффективные дозы минеральных удобрений при возделывании пивоваренных сортов ячменя Одесский 100, Аннабель, Турингия
Н.іучная значимость работы заключается в том, что автором изучены процессы изменения водно-химических свойств чернозема обыкновенного под воздействием минеральных удобрений и дано им научное обоснование
Практическая значимость работы состоит в том, что автором установлены и предлагаются для внедрения в производство наиболее эффективные дозу минеральных удобрений (30-60кг/га действующего вещества NPK) при возделывании пивоваренных сортов ячменя на черноземе обыкновенном в условиях юго-востока ЦЧЗ При повышении дозы минеральных удобрений от N6oPsoK60 до N90P90K90 урожайность зерна ячменя возрастает только на 1,5%, а ювокупные энергетические затраты повышаются на 13,7%
Освоение рекомендаций автора в условиях производства позволит су-ществеї но повысить урожайность зерна ячменя с содержанием белка не более \2/> и соответствующего требованиям ГОСТ 5060-86 — ячмень пивоваренный
Основные положения, выносимые на защиту:
Урожайность пивоваренных сортов ячменя Одесский 100, Аннабель и Турин гия в услових юго-востока ЦЧЗ
Минеральные удобрения и качество зерна пивоваренных сортов ячменя
Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждены и получили положительную оценку на заседаниях проблемного и ученого советов ГНУ НИИСХ ЦЧП им В В Докучаева РАСХН, а также на международных научно-практических конференциях (Москва, 2005, Белгород, 2006, Вороне к, 2006, Белгород, 2006) и опубликованы в 5 печатных работах
Рекомендации автора диссертационной работы по внесению минеральных удобрений под пивоваренные сорта ячменя включены в проектную документацию ФГУ Станция агрохимической службы «Таловская» по разработке систем применения удобрений в севооборотах сельскохозяйственных предприятий Воронежской области
Объем и структура диссертации Диссертационная работа изложена на 101 странице машинописного текста, состоит из введения, обзора литературы, 5-ти глав экспериментальной части, выводов, предложений производству и списка использованной литературы (232 наименования, из них 14 - на иностранных языках) Содержит 41 таблицу, 3 рисунка и 9 таблиц помещено в приложении
Роль минеральных элементов в питании растений
Важнейшую роль в плодородии играет органическое вещество почвы, которое состоит из отмерших остатков растений, микроорганизмов, почвенных животных и продуктов их жизнедеятельности. Это малоразложившиеся растительные и животные остатки, коллоидные комплексы собственно гумусовых веществ, растворимые органические соединения. Органическое вещество, консервирующее энергию солнца в химически связанной форме, является практически единственным поставщиком энергии для формирования плодородия почвы (С.А.Ваксман, 1937; М.М.Копопова, 1963; Е.Юарр, 1967; А.М.Лыков, 1982).
Скорость разложения первичного органического вещества под действием микроорганизмов зависит прежде всего от соотношения содержания в нем C:N (чем уже соотношение, тем процессы идут интенсивнее), а также от условий среды: наличия минеральных элементов, погодных условий, физико-химических свойств почвы и др. (И.В.Тюрин, 1965; М.М.Кононова, 1969; М.И.Сидоров, Н.И.Зезюков, 1981).
Основную часть органического вещества почвы (85-90%) представляют специфические высокомолекулярные гумусовые соединения, включающие три основные группы: гуминовые кислоты, фульвокислоты и гумины (В.В.Пономарева, Т.А.Плотникова, 1980; Д.С.Орлов и др., 1987). Образование гуминовых веществ в почве может идти за счет самых разнообразных продуктов, что характеризует новообразованные гуминовые вещества как смесь полимеров (F.Sheffer, P.Schachtshabel, 1976).
Синтез и разрушение органического вещества почвы составляют сущность процесса почвообразования, а плодородие почвы является результатом биологических процессов. Существует два критерия плодородия почвы: содержание органического вещества и урожай, причем руководствоваться ими следует в совокупности (В.Р.Вильямс, 1951; L.M.Thompson, 1957).
Органическое вещество в почве определяет в ней химические, водно-физические, биологические свойства. Влияние органического вещества на химические свойства почвы прежде всего связано с накоплением в нем азота и минеральных элементов питания растений. В органическом веществе почвы аккумулировано 98% запасов азота, 60% фосфора, 80% серы и значительное количество других элементов, которые не вымываются из почвы и служат важнейшим источником питания растений (И.В.Тюрин, 1965; В.А.Ковда, 1973; П.Г.Адери-хин, А.П.Щербаков, 1974; Л.Ы.Александрова, 1980).
Органическое вещество почвы, особенно свежеобразованные гуминовые кислоты, обладая склеивающей способностью, оказывают положительное влияние на структурность почвы (А.П.Щербаков, И.Д.Рудай, 1983; А.И.Жуков, П.Д.Попов, 1988;Н.Г.Мязин, Т.М.Парахневич, 1998).
Бездифицитный баланс гумуса можно обеспечить путем внесения в почву органических и минеральных удобрений, соломы и пожнивных остатков, а также посевом многолетних трав, особенно бобовых И.Б.Годунов, 1976; Д.С.Орлов, 1981; В.Т.Рымарь, Г.П.Покудин, 1997; А.В.Дедов, 2000 и др.).
Таким образом, повышая содержание органического вещества в почве, можно существенно улучшить её водно-физические и биологические свойства и обеспечить растения элементами минерального питания.
Условия питания растений в существенной степени определяются запасом валовых и доступных форм питательных веществ, водно-физическими свойствами почвы, почвенно-климатическими условиями и другими факторами. Чем больше элементов минерального питания в почве, тем меньше она нуждается в удобрениях.
Азот, фосфор и калий относятся к основным элементам питания растений, содержание которых в разных типах почв существенно различается. Максимальное количество этих макроэлементов содержится в черноземных почвах: 0,2-0,5% азота, 0,1-0,3% фосфора, 2,0-2,5% калия (В.М.Клечковский, А.В.Пе-тербургский, 1967; А.П.Щербаков, И.Д.Рудай, 1983). Как правило, содержание азота и фосфора в почве находится в прямой зависимости от количества органического вещества, а содержание калия определяется механическим составом.
Азот является основным элементом питания растений. Он входит в состав простых и сложных белков. Главным источником азота для питания растений являются соли азотной кислоты и соли аммония.
Без фосфора невозможна жизнь не только растений, но и простейших микроорганизмов. Фосфор в растениях содержится в органических и минеральных веществах. Значительная часть фосфора почвы входит в труднорастворимые минеральные соединения и органические вещества.
Значение калия в жизни растений многообразно, он способствует нормальному течению фотосинтеза, активизирует работу ферментов, увеличивает гидрофильность коллоидов, благодаря чему растения лучше переносят кратковременные засухи.
Общее содержание калия всегда выше, чем фосфора и азота, вместе взятых. Наибольшее содержание калия отмечается в тяжелых почвах, так как он входит в состав минералов, представленных главным образом в глинистых частицах.
Плодородие почвы в существенной мере зависит от содержания общих запасов питательных веществ. В связи с этим, регулирование баланса питательных веществ в земледелии является главной задачей агрохимии (Д.Н.Прянишников, 1953; С.Н.Юркин, 1975; А.И.Жуков, П.Д.Попов, 1988 и др.).
В биосфере основная часть азота сосредоточена в почве. Этот элемент играет важнейшую роль в плодородии почвы, так как подавляющая его часть (70-90%) входит в состав гумуса. Нитратный азот хорошо растворим в воде и поэтому подвержен вымыванию. Общее количество усвояемых минеральных солей азота не превышает 1-3% его общих запасов. Многочисленные исследования ученых свидетельствуют о том, что 20-30%) внесенного азота с удобрениями теряется в виде газообразных соединений (М.М.Кононова, 1963; Б.Н.Макаров, 1968; В.Т.Рымарь, Г.П.Покудин, 1997). Потери азота зависят от многих факторов, в том числе и от форм его соединений: нитратный азот теряется в большей степени, чем аммиачный (Е.Н.Мишустин, 1972; Д.А.Кореньков, 1976; П.М.Смирнов, 1982 и др.).
Азот из почвы в основном теряется вследствие процессов нитрификации, где аммиачные и амидные формы восстанавливаются до N2O и N2 (Л.Б.Сирота, 1973; Л.Б.Сирота, Ж.М.Трибис, 1986).
Существенная часть нитратных удобрений вымывается в нижележащие горизонты почвы, почвообразующие породы, выносится грунтовыми и стоковыми водами (F.X.Maidl, G.Fischber, 1986; F.Venter, R.Gutser, 1987; А.А.Коваленко, 1988).
С целью снижения потерь азота из почвы учеными разработано ряд агротехнических приемов. Глубина заделки азотных удобрений оказывает решающее влияние на повышение их эффективности. В Краснодарском крае при заделке азотных удобрений на глубину до 14см отмечено наиболее интенсивное накопление сухой массы растений риса (А.Н.Баранов, А.Л.Швыдская, 2002).
Значительно в почве повышается содержание аммиачного и нитратного азота при внесении минеральных удобрений, соломы и навоза (Г.Я.Чесняк, 1981). В условиях Центрально-Черноземной зоны внесение навоза и умеренных доз минеральных удобрений способствовало повышению в почве общих запасов азота и урожайности возделываемых культур (И.Б.Годунов, 1979; А.П.Щербаков, И.Д.Рудай, 1983; В.В.Никитин, В.В.Гетманский, 2000; В.Б.Азаров, Л.Н.-Слышенкова, 2002; Н.С.Беспалова и др., 2002).
На дерново-подзолистой почве Нечерноземья и обыкновенном черноземе Западного Предкавказья также наиболее оптимальной является органомине-ральная система применения удобрений (В.Ф.Ефремов, 2002; С.И.Баршадская и др., 2002).
Погодные условия в Каменной Степи за 2003-2005гг.
Зимний режим погоды в 2002 году установился 25.11.02г., в отсутствие снежного покрова. Снежный покров появился с 13.12.02г., но высота его до конца декабря составляла 1-Зсм. Декабрь был самым холодным за последние 70 лет, его средняя температура составила -12,7",что почти вдвое ниже нормы, а в отдельные дни морозы усиливались до -25. К концу декабря почва промерзла до полуметровой глубины. В результате оттепелей 30-31.12.02 и 4-5.01.03 снег в полях сошел почти полностью и вновь установился с 9.01.03, а на поверхности почвы местами образовалась ледяная корка. В дальнейшем снежный покров сохранился до I декады апреля, высота его в феврале-марте составляла около 20см, местами до 30см, а глубина промерзания почвы в марте - до 70см.
Резкое потепление в I декаде апреля привело к быстрому сходу снега в течение одной недели. Возобновление вегетации озимых отмечено 14.04, однако почва оттаяла на всю глубину только к 22-24.04. Боронование и посев яровых хлебов проводилось преимущественно в III декаде апреля и начале мая, а посев проса, кукурузы и гречихи - во второй половине мая. В мае погодные условия сложились неблагоприятно, почвенная влага пахотного слоя активно расходовалась на испарение при повышенном температурном фоне и дефиците атмосферных осадков.
Однако в июне и июле выпадали обильные дожди, в 1,5-2 раза больше многолетней нормы (рис. 1). В итоге озимые и яровые хлеба достигли полной спелости несколько позже обычных сроков и имели повышенную влажность. Уборка зерновых осуществлялась в основном в течение августа. В октябре выпали обильные дожди (2 месячных нормы), но во второй половине месяца из-за устойчивого похолодания процессы вегетации практически прекратились. В конце октября температура воздуха понижалась до -5,6, поверхности почвы до -8, выпал первый снег. Впоследствии снежный покров появлялся и таял еще дважды и установился только с 25.12 при высоте 1 -Зсм.
В целом по метеоусловиям 2003 сельскохозяйственный год оценивается как благоприятный (табл. П. 1).
Первый снег в 2003 году выпал еще в конце октября, но устойчивый снежный покров образовался только 25.12.03. Зима выдалась очень теплой, среднемесячная температура воздуха с декабря по март включительно превышала норму на 3-5. Обильные осадки января-февраля, которые в 2-2,5 раза превышали обычные для этого периода, образовали относительно равномерный, мощный и плотный снежный покров, высота которого в поле в среднем достигала 37см при плотности в конце февраля 0,40г/см3. Лишь в начале зимы глубина промерзания почвы составляла до 15см при слабой цементации, а,к концу зимы почва под снегом практически полностью оттаяла.
Резкое потепление во второй декаде марта привело, к быстрому сходу снежного покрова, при этом талые воды большей частью впитывались почвой. В конце марта - начале апреля почвы были переувлажнены, а местами обводнены. При этом на участках с малыми уклонами, в микропонижениях рельефа, в бороздах на зяби образовались озера стоячей воды, кое-где сохранявшиеся до III декады апреля, что осложняло своевременную обработку посевных площадей.
Май, июнь и июль имели несколько пониженный температурный фон (на 1-1,5 против нормы) при избытке атмосферных осадков (рис. 2). В августе преобладала жаркая и сухая погода, благоприятная для проведения уборочных работ, которые производились в сжатые сроки практически повсеместно.
В целом 2004 год был теплым и влажным, благоприятным для сельскохозяйственного производства (табл. П. 2).
Зимний режим погоды в 2004 году установился с 22 октября в отсутствие снежного покрова. В течение декабря-января преобладала неустойчивая погода с частыми оттепелями. Средняя температура этих месяцев соответственно на 3 и 6 превышала норму, почва в этот период промерзала до 15-20см при слабой цементации. Устойчивый снежный покров образовался только с 23.12.05. Месячные суммы осадков января-февраля почти вдвое превышали средние многолетние величины, а мощный и плотный снежный покров удерживался до начала апреля. Высота его в поле составляла местами 50см.
В начале апреля наступило резкое и интенсивное потепление (рис.3). Снег в полях сошел в течение недели, почва на большей части территории оттаяла 10.04, а 12.04 произошло возобновление вегетации. Почвы на равнинных участках были обводнены за счет избытка талых вод, местами уровни грунтовых вод достигли поверхности. Положение усугубилось после дождей во второй половине апреля, которых выпало две месячные нормы. Систематические дожди весенних месяцев, несмотря на повышенный температурный фон апреля-мая (на 2-3 выше нормы) обусловили переувлажнение почв, в связи с чем массовые полевые работы, в т.ч. и посев яровых, стали возможны лишь во второй половине мая.
Последующий вегетационный период сложился в целом благоприятно, в летние месяцы температура воздуха была близка к норме, а осадков выпадало в 1,5 раза больше обычного. Погодные условия уборочной страды складывались в целом благоприятно, за исключением II декады августа, когда за 2-3 дня выпадали очень сильные дожди.
Со второй половины августа по первую декаду октября установилась теплая и сухая погода, благоприятствующая созреванию и уборке технических культур.
В то же время условия посева озимых складывались весьма неблагоприятными из-за иссушения пахотного слом почвы.
В целом 2004-2005 сельскохозяйственный год в отрасли растениеводства сложился удовлетворительно, однако следует отметить, что весеннее переувлажнение почв сказалось на урожайности и повлияло на структуру посевных площадей и севооборотов (табл. П. 3).
Подвижные микроэлементы
В черноземе обыкновенном содержание подвижного цинка и меди примерно одинаково. В наших исследованиях содержание цинка в слое почвы 0-30см в среднем за 2 года по вариантам опыта колебалось от 0,3 до 0,5мг/кг почвы, подвижной меди - от 0,3 до 0,4мг/кг почвы (табл. 21). Внесение различных доз минеральных удобрений на содержание цинка и меди влияния не оказало, а их количество было гораздо меньше предельно-допустимых концентраций.
В своих исследованиях мы определяли содержание подвижных форм тяжелых металлов: никеля, кадмия, свинца, которые являются одними из наиболее опасных загрязнителей окружающей среды (табл. П. 7, П. 8, П. 9).
Среднее содержание никеля за 2003-2005 годы от всходов ячменя до его созревания в среднем по всем вариантам не изменилось: как в период всходов, так и в период уборки его содержание в слое почвы 0-30см составило 1,2мг/кг почвы (табл. 22). Внесенные минеральные удобрения на динамику подвижного никеля в черноземе обыкновенном влияния не оказали, концентрация которого была более чем в 3 раза меньше ПДК. Содержание подвижного кадмия в слое почвы 0-30см в период всходов ячменя за три года в среднем по всем вариантам опыта составило 0,17мг/кг почвы, а в период уборки ячменя - 0,25мг/кг почвы, т.е. произошло некоторое его увеличение, что может быть связано с его переходом из нерастворимых форм в растворимые. Аналогичное наблюдалось и при определении содержания в почве свинца: в период всходов его содержание в среднем по всем вариантам опыта в слое почвы 0-30см составило 1,7мг/кг почвы, а в период созревания ячменя - 2,0мг/кг почвы. Следует отметить, что как в период всходов, так и в период созревания ячменя различий в содержании свинца по вариантам опыта не наблюдалось.
Таким образом, внесенные минеральные удобрения в дозах NPK по 30, 60 и 90кг/га действующего вещества влияния на содержание подвижных форм тяжелых металлов в черноземе обыкновенном не оказали, а их количество составило: никеля - 1,2-1,Змг/кг почвы, кадмия - 0,17-0,25мг/кг почвы, свинца - 1,7-2,0мг/кг почвы, что гораздо ниже предельно-допустимых концентраций.
Эффективность применения минеральных удобрений при выращивании ячменя
Оценка эффективности агротехнических факторов осуществляется различными методами. Экономические методы занимают существенное место. При этом определяется прибыль, себестоимость, чистый доход, рентабельность и другие показатели. Недостатком этих методов в настоящее время являются неоправданные различия в стоимости сельскохозяйственной продукции и материально-технических средств.
Для определения эффективности применения удобрений, мелиорантов, пестицидов при возделывании сельскохозяйственных культур применяется метод определения окупаемости используемых средств. Окупаемость определяется как в денежном выражении (дополнительный доход на единицу затраченных материалов), так и в единицах полученной дополнительной продукции на единицу материальных затрат.
В последние годы в научных исследованиях применяется биоэнергетическая оценка изучаемых факторов. Сущность такой оценки заключается в определении соотношения между энергией, содержащейся в полученной продукции и совокупными энергетическими затратами на ее производство. При соотношении большем единицы производство сельскохозяйственной продукции считается эффективным.
Для установления эффективности применения минеральных удобрений мы определили прирост дополнительного урожая зерна ячменя на 1кг действующего веществаNPK удобрений (табл. 39).
В наших исследованиях максимальный прирост урожая (1,6кг зерна на 1кг NPK минеральных удобрений) получен при внесении под ячмень удобрений в дозе ИбоРбоКбо. При повышении или уменьшении дозы минеральных удобрений окупаемость последних снижается. Таким образом, при возделывании ячменя в условиях юго-востока ЦЧЗ вносить минеральные удобрения в дозе более ІЧбоРбоКбо нецелесообразно.
Определение энергетической эффективности технологий возделывания ячменя при разных дозах минеральных удобрений показало, что основную долю энергетических затрат привносят оборотные средства - семена, ГСМ, удобрения. Энергетические затраты возрастали как за счет самих удобрений, так и за счет уборки, транспортировки и переработки дополнительной продукции. При внесении N90P90K90 в сравнении с технологией без удобрений затраты совокупной энергии возросли с 20753 до 34647МДж/га, т.е. на 66,9% (табл. 40). При этом содержание энергии в урожае ячменя с учетом побочной продукции возросло с 90900 до 102955МДж/га (на 12%). При внесении минеральных удобрений возрастала энергоемкость единицы получаемой продукции. Коэффициент энергетической эффективности технологий производства зерна ячменя при внесении минеральных удобрений снижался, но он был выше единицы как по основной продукции, так и с учетом побочной (табл. 41). Таким образом, с точки зрения энергетической оценки технологий возделывания ячменя внесение минеральных удобрений как в дозе N30P30K30, так и в более высоких является эффективным агротехническим приемом.
