Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 .ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 7
1.1. Влияние биогумуса на свойства почвы и урожайность сельскохо-зяйственных культур
1.2 Изменение гумусового состояния почвы под действием удобрений 15
1.3. Влияние удобрений на биологическую активность почвы 20
ГЛАВА 2. УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Характеристика природных условий зоны 29
2.2. Объекты исследований 35
2.3. Методы лабораторных исследований 44
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 46
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ УДОБРЕНИЙ НА ГУМУСНОЕ СОСТОЯНИЕ ЧЕРНОЗЕМА ВЫЩЕЛОЧЕННОГО
ГЛАВА 4. БИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УДОБРЕНИЙ
4.1. Микрофлора почвы 55
4.2. Ферментативная активность почв 58
ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ И МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ НА АГРОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМА ВЫЩЕЛОЧЕННОГО
5.1. Пищевой режим чернозема выщелоченного 62
5.2. Влияние удобрений на физико-химические свойства чернозема выщелоченного
ГЛАВА 6. ВЛИЯНИЕ УДОБРЕНИЙ НА АГРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙ- 75
СТВА ПОЧВЫ
ГЛАВА 7. ВЛИЯНИЕ УДОБРЕНИЙ НА УРОЖАЙНОСТЬ И КАЧЕСТВО КАРТОФЕЛЯ
ГЛАВА 8. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВЕ И РАСТЕНИЯХ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ УДОБРЕНИЙ
ГЛАВА 9. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ, ЭКОЛОГО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ И ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ УДОБРЕНИЙ
ВЫВОДЫ 104
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ 106
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 107
ПРИЛОЖЕНИЯ 125
- Влияние биогумуса на свойства почвы и урожайность сельскохо-зяйственных культур
- Характеристика природных условий зоны
- Микрофлора почвы
Введение к работе
Несмотря на исключительную роль почвы как основного средства производства в земледелии антропогенное и агрогенное воздействия на нее усиливают деградацию потенциального и эффективного плодородия. Это неизбежно приводит к непрерывному росту затрат на поддержание определенного урожая сельскохозяйственных культур, что в современных условиях связано с большими трудностями (Кирюшин, 2000; Черников, Милащенко, Соколов, 2001).
Одним из путей решения экологических и социально-экономических проблем, возникающих в результате увеличения интенсивности антропогенного воздействия, может быть внедрение биологически обоснованных систем удобрения, которые не только позволят увеличить валовые сборы и улучшить качество продукции, но и поддержать и даже повысить плодородие почвы, а также исключить опасность загрязнения окружающей среды (Богословский, Левинский, Сычев, 2004) .
Тесная взаимосвязь гумусного состояния почвы и корневого питания растений с биохимической деятельностью почвенных микроорганизмов, а также реакция почвы на удобрения в зависимости от их видов, делают необходимым учет всех изменений, возникающих в сложной системе почва -микроорганизмы - удобрение - растение (Возняковская, 1988; Милащенко, Соколов, Брайсон, Черников, 2000; Верзилин, Коржов, Придворев, 2005). Комплексные исследования влияния систематического применения удобрений позволяют выявить и своевременно устранить возможное проявление негативных сторон их воздействия. Однако, несмотря на нарушение многих экологических функций почвы и в первую очередь аккумуляцию биофиль-ных элементов, буферность и емкость, до настоящего времени многие процессы в почвах правобережной лесостепи Среднего Поволжья остаются недостаточно изученными.
Влияние биогумуса на свойства почвы и урожайность сельскохо-зяйственных культур
В связи с угрозой экологического кризиса проблема переработки сельскохозяйственного и промышленного производства на базе современных высокопроизводительных экологически чистых индустриальных технологий приобретает особое значение (Гончиков и др., 1995; Мельник, 1995,1997).
В последние годы в различных странах мира проявляется интерес к искусственному разведению дождевых червей на органических отходах с целью получения компоста и кормовых добавок. Новая технология переработки отходов, названная вермикультурой, основана на способности червей поглощать в процессе своей жизнедеятельности органические остатки и почву. В кишечнике червей они измельчаются и химически трансформируются (Марковская, 1993; Козлов, Шкляров, 1996; Павленко, Бобылёв, 1996).
Прошедшие переработку методом вермикультуры отходы быстро теряют неприятный запах и превращаются в органическое удобрение, богатое бактериальной флорой, питательными элементами в доступной для растений форме, обладающие зернистой структурой, устойчивой к действию воды. Полученный продукт называется вермикомпост или „биогумус" (Калинина и др., 1993; Степанов и др., 1996).
В настоящее время в странах ближнего и дальнего зарубежья, а также в России, проблему биологической технологии сохранения и повышения плодородия почв решают с помощью гибрида красного калифорнийского червя, способного перерабатывать навоз всех видов животных, помёт птиц, солому, осадки сточных вод, пищевые и промышленные отходы (Langlais, Shivas, 1989; Городний и др., 1995; Миронова, 1995).
В процессе переваривания органического вещества в кишечнике червей формируются гумусовые вещества и, в том числе, - высокомолекулярные ор ганические кислоты. Концентрация их в капролитах червей, питающихся навозом, в несколько раз выше, чем в исходном субстрате (Берестецкий и др., 1984; Городний и др., 1992; Громов, 1996). У них не только образуются, но и полимеризуются низкомолекулярные исходные формы, в результате чего получаются высокомолекулярные соединения типа гуминовых кислот. Кроме того, переработка органических веществ червями позволяет повысить коэффициент гумификации органического вещества в 1,5-2 раза (Мельник, Кар-пец, 1990; Стрельцова, Хвойна, 1997). В экскрементах червей азот содержится в более доступных для растений формах, чем в почве. Очевидно, эти соединения, поступая в почву с экскрементами, быстро утилизируются корнями растений, либо микрофлорой. В почве же накапливаются более устойчивые белковые фракции (Стриганова и др., 1989). Среди белковых аминокислот в почве и экскрементах отмечено относительно высокое содержание ва-лина, лизина, аланина, глицина, глутаминовой и аспарагиновой кислот. Общая сумма белковых аминокислот в экскрементах в 1,5-2 раза больше, чем в почве.
Процесс вермикомпостирования влияет также на снижение количества тяжёлых металлов в биогумусе и позволяет снизить риск загрязнения ими земель сельскохозяйственного использования, что связано с аккумуляцией металлов в теле червей (Филиппова, Петрова, 1998). Биогумус играет немаловажную роль и в процессах рекультивации почв, загрязнённых пестицидами (Мельник, 1991; 1995). Это особенно важно для почв, утративших способность к самоочищению из-за сильного загрязнения пестицидами и другими веществами. Вермикомпосты позволяют таким образом вернуть сельскому хозяйству участки, непригодные для использования из-за сильного загрязнения (Мельник, Карпец, 1991; Мерзлая, 1996).
Некоторые учёные считают, что действие биогумуса сравнимо с применением оптимальных доз удобрений. Он содержит в своём составе вещества гумусовой природы, микро- и макроэлементы, аминокислоты, ферменты, оказывает положительное влияние на минеральное питание растений (Столя ренко, Коцюбинская, 1996). Другие учёные рассматривают биогумус как удобрение и как биологически активное вещество, действующее на ростовые процессы (Башкот, 1994).
По данным В.П. Громова (1996) внесение в почву биогумуса, его изолированных фракций, способствует снижению кислотности почвы и увеличению содержания гумуса, при этом эффективность находится в прямой зависимости от дозы.
Увеличение микробиологической активности почвы отмечается многими исследователями (Зеников и др., 1996; Быкин, Городний, 1997; Быкин, 1997; Терещенко, 1997; Филиппова, 1998).
Внесение биогумуса в тёмно-серую лесную почву повышает численность аммонификаторов на МПА от 2 до 7 раз под морковью и от 2 до 12 раз под цветами, микроорганизмов, использующих минеральный азот (КАА), в 2 раза независимо от дозы биогумуса под морковью и в 2-5 раз под цветами. Численность грибов под морковью изменялась незначительно, а под цветами увеличивалась в 2-3 раза (Стрельцова, Хвойна, 1997).
Опыты Самарского СХИ показали, что внесение большого количества биогумуса способствовало резкой активизации почвенной микрофлоры, что является показателем её высокой биологической активности. Очень важная роль в создании почвенного плодородия принадлежит актиномицетам, количество которых возрастало в почве в 2-3 раза. Биогумус усиливал и целлюло-зоразлагающую способность почвы, которая является показателем самоочищающей способности почвы и состояния её азотного режима. Содержание в почве всех подвижных форм азота увеличивалось, что было пропорционально дозе его внесения компоста. Улучшение условий азотного питания сопровождалось и лучшим снабжением растений другими элементами: фосфором и калием (Марковская, 1993).
Исследования Московской СХА показали, что общая биологическая активность дерново-подзолистой почвы, численность азотфиксирующих бактерий при внесении биокомпостов повышается, и в целом создаются благопри ятные условия для активного размножения микроорганизмов, повышается коэффициент использования азота, минеральных удобрений (Сидоренко, 1996).
Внесение биогумуса в почву создаёт в прикорневой зоне растений благоприятные условия для развития сапрофитных микроорганизмов, являющихся антагонистами почвенных патогенов, и активизирует защитные механизмы растений (Брыкалов, Романенко, 1996; Лукина и др., 1996).
В исследованиях польских учёных было установлено, что наибольшее развитие микрофлоры наблюдалось в почве, удобренной смесью биогумуса и соломы (как в малых, так и больших дозах). Биогумус в дозах 3 и 6 т/га оказывали небольшое влияние на изучаемые микроорганизмы. Только в дозе 9 т/га биогумус вызывал увеличение численности Azotobacter (около 140% по сравнению с контролем) (Nowak, 1995).
В других опытах отмечалось, что эффективность применения биогумуса была значительно ниже эффективности удобрений. Повышение доз биогумуса от 3 до 9 т/га вызывало повышение численности микроорганизмов и содержания общей биомассы микроорганизмов (Nowak, 1993).
Было установлено, что в капролитовых компостах число микроорганизмов уменьшается с увеличением размера частиц. Подобно навозу с ферм ка-пролитовый компост активизирует микрофлору в лёгких почвах (Nowak, Konieczny, 1993).
Вместе с тем, в опытах ВИУА было установлено, что, несмотря на внесение минеральных удобрений и биогумуса, микробный пул был довольно стабилен (0,6-0,9 при 0,8 в контроле). Под действием биогумуса изменялась динамика численности аммонифицирующих бактерий. При внесении минимальной его дозы амплитуда колебаний их численности и коэффициент флуктуации сузились, что свидетельствует о стабильности условий в почве. Внесение небольших доз биогумуса приводило к увеличению в почве общей численности целлюлозоразрушающих микроорганизмов. С увеличением доз биогумуса наблюдалось расширение амплитуды колебаний количества бак терий. Во второй половине вегетации кукурузы увеличилась численность ак-тиномицетов в почве, что, вероятно, связано с высоким содержанием их в биогумусе. Развитие этой группы микроорганизмов рассматривается как экологически благоприятное (Мерзлая и др., 1994).
В исследованиях Слободян В.А. и Слободян Н.С. (1994) было установлено, что внесение биогумуса в почву способствует значительному повышению „напряжения" микробного процесса по сравнению с контролем. Так, количество сапрофитных микроорганизмов возросло в 7,8 раз, спороносных - в 475 раз. Максимальная „напряжённость" микробного процесса была отмечена на вариантах с наибольшим количеством биогумуса (9 т/га). С внесением биогумуса в почвах происходит утилизация более сложных органических соединений, в том числе и белковых, это приводит к накоплению в почвах азота.
В опытах с картофелем было установлено, что уже через 28-30 дней после посадки общее число микробных тел в гнезде на вариантах с биогумусом возросло в 10-13 раз. Наибольшее количество микроорганизмов отмечено к бутонизации - цветению картофеля - 52-54 млн в 1 г почвы (Ненайденко и др., 1995).
Характеристика природных условий зоны
Объекты исследований находились в правобережной лесостепи Среднего Поволжья. Полевые опыты проводились в учхозе и на коллекционном участке Пензенской государственной сельскохозяйственной академии.
Территория Пензенской области входит в состав лесостепной провинции Приволжской возвышенности и расположена на её западном склоне.
Специфические природные особенности лесостепи Приволжской возвышенности определяли характер почвообразовательного процесса.
Геологическое строение и почвообразующие породы. В тектоническом отношении исследуемая территория относится к Русской (Восточно-Европейской) платформе с жёстким докембрийским кристаллическим фундаментом. Последний послужил препятствием для процессов горообразования. Кристаллические породы докембрия прикрыты толщей осадочных отложений различного происхождения (морского и континентального) и возраста. В отличие от прилегающих к Среднему Поволжью центральных чернозёмных областей, описываемый район характеризуется значительной тектонической нарушенностью. Шатский Н.С. (1946, 1948) объясняет это положением района на востоке Русской платформы близ границ краевого прогиба, отделяющего платформу от Уральской геосинклинальной зоны.
Современные формы поверхности Приволжской возвышенности образованы в результате сложного и длительного воздействия комплекса геологи ческих процессов, которые изменяли исходную структурную поверхность и сформировали новые, более мелкие орографические элементы (Усов, 1948).
Формирование Приволжской возвышенности относится к нижнетретичному времени и обязано поднятием пород после спада моря. И хотя больше данная территория морем не покрывалась, тектонические нарушения имели место и в последующие периоды, так как она состоит из системы синеклиз и антеклиз. Синеклизы в прошлом - это области опускания и активного осад-конакопления, характеризуются повышенной мощностью и большой полнотой осадочных толщ. Антеклизы в прошлом испытывали поднятия пород, которые подвергались интенсивному размыву.
Таким образом, формирование исследуемой территории происходило в условиях неустойчивого морского режима и сопровождалось крупными тектоническими движениями, протекающими в несколько фаз с девонского до третичного периода. С четвертичного периода в целом Среднее Поволжье испытывает тенденцию к поднятию (Шатский, 1946).
В ледниковых районах водоразделы покрыты суглинистой мореной и водноледниковыми песками.
Во внеледниковой части территории водораздельные высоты прикрыты тонким чехлом рыхлых, преимущественно глинистых наносов, образовавшихся в результате разрушения разнообразных коренных пород. На плоских водоразделах продукты разрушения (элювий) остаются на месте. На водоразделах, имеющих форму увалов, продукты разрушения (делювий) переносятся дождевыми и снеговыми водами вниз и отлагаются в понижениях рельефа и на пологих склонах. В зависимости от состава коренных пород и крутизны склонов характер делювия изменяется. На территории правобережного Среднего Поволжья он представлен глинами, суглинками, супесями, песками, грубым обломочным материалом и другим материалом (Мильков, 1953).
Данные анализа преобладающих почвообразующих пород (Усов, 1948; Лобов и др., 1985) свидетельствуют об их неоднородности по гранулометрическому составу. В большинстве своём они являются крупнопылевато иловатыми глинами и тяжелыми суглинками. Содержание физической глины (частицы размером менее 0,1 мм) в отложениях глинистого и тяжелосуглинистого гранулометрического состава колеблется в пределах 45,8-67%; на долю фракции крупной пыли (частицы размером 0,05-0,01 мм) приходится от 12,7 до 25,8%; фракции ила (частицы менее 0,001 мм) - 24,9-42,2%.
По мере облегчения гранулометрического состава пород содержание отмеченных фракций уменьшается, количество песчаных частиц возрастает.
Наибольший интерес представляют покровные и делювиальные отложения тяжёлого гранулометрического состава, так как они занимают господствующее положение среди почвообразующих пород. Указанные отложения являются почвообразуїощими породами для чернозёмных почв. В некоторых случаях на них развиваются серые и тёмно-серые почвы.
Покровные глины содержат значительное количество карбонатов двухзначных катионов, главным образом кальция. В них ясно выделяется иллю-виально-карбонатный горизонт на глубине 100-140 см. Ниже этого горизонта количество углесолей постепенно уменьшается, и на глубине 300-350 см они почти полностью исчезают.
Свойства почвообразующих пород в значительной степени определяют собой характер растительности и почвообразования. На пылевато-иловатых глинистых, тяжелосуглинистых и среднесуглинистых отложениях развивается травянистая растительность, и формируются чернозёмы. На легкосуглинистых, супесчаных - лесная растительность и серые лесные почвы. На современном аллювии в зависимости от гранулометрического состава может развиваться лесная и луговая растительность, а на соответствующих элементах рельефа формироваться и растительность болотного типа. В связи с этим на современных аллювиальных отложениях развиваются серые лесные, пойменные, дерново-луговые и болотные почвы.
Рельеф. Основные черты рельефа района сформировались в результате длительного геологического развития территории Среднего Поволжья. Главная роль в преобразовании принадлежит эрозионным процессам - размыву и смыву. Приволжская возвышенность выделяется по густоте овражно-балочной сети. В ряде районов правобережья Волги протяжённость балочной сети достигает 0,5-0,9 км на 1 км площади (Соболев, 1948).
Приволжская возвышенность характеризуется значительными абсолютными высотами - до 300 м и выше. Крупные речные долины юго-восточной части её сформировались в середине третичного периода. Долины внеледни-ковой части (восточнее р. Суры) характеризуются наличием трёх-четырёх надпойменных террас и резкой асимметрией поперечного профиля. Они имеют короткий и крутой правый склон, пологий и растянутый - левый.
На рельеф оказывают влияние пески, которые покрывают значительные площади лесостепи (Мильков Ф.Н., 1953). В треугольнике Ульяновск - Сызрань - Пенза песчаный характер грунтов и почв на высоких водоразделах, поднимающихся до 300 м и выше (Сурская шишка), обусловлен выходом на поверхность палеоценовых пород сызранского и саратовского ярусов.
Климат. По основным агроклиматическим показателям территория Пензенской области относится к зоне неустойчивого увлажнения.
Климат умеренно-континентальный;, что обусловлено положением области на востоке Средней полосы Европейской части России в значительном удалении от морей. Высота над уровнем моря незначительна и большого влияния на климат не оказывает.
Амплитуда температур тёплого и холодного месяцев равна 32-33С.
Зима умеренно холодная (средняя температура января - 11,3-13,3 С), однако наблюдаются значительные колебания температуры - в отдельные дни она опускается до - 47 С. Зимы снежные. Наибольшая высота снежного покрова 30-40 см. Постоянный снежный покров образуется в конце ноября и держится 127-139 дней. В отдельные годы при незначительной высоте снежного покрова и низких температурах воздуха нередко наблюдается гибель озимых культур.
Весна дружная и короткая, характеризуется очень быстрым нарастанием положительных температур. Однако часто наблюдаются поздневесенние за морозки, которые в основном прекращаются во второй декаде мая (в отдельные годы бывают и в начале июня).
Сумма активных температур (выше 10"С) составляет 2200-2400С. Продолжительность безморозного периода 125-138 дней.
За год в среднем выпадает 450-500 мм осадков. Вместе с тем, выпадение их неравномерное как по годам (от 350 мм в засушливые годы до 625-700 мм во влажные), так и в течение года. Наибольшее их количество приходится на тёплый период года: максимум - на июль, минимум - на февраль и март. За вегетационный период (май-сентябрь, 136-142 дня) выпадает 250-280 мм осадков.
Засухи и суховеи наблюдаются часто. Сильные засухи повторяются 2-3 раза в 10 лет, средней интенсивности наблюдают трижды из каждых пяти лет. Влагообеспеченность зерновых культур составляет 60-90% (Агроклима тический , 1958). Формирование урожая лимитируется запасами влаги, как перед посевом, так и в течение вегетации.
Наши исследования проводились в 1999-2001 гг. при значительных колебаниях, как количества выпавших осадков, так и температурного режима (рис.1, прилож. 1-2).
Микрофлора почвы
Применение органических удобрений, содержащих в своем составе значительное количество азота, способствовало существенному росту количества нитрифицирующих микроорганизмов. В зависимости от дозы биогумуса в первый год действия их количество возрастало в 1,5-2,1 раза. Это, в свою очередь, способствовало существенному улучшению азотного режима почвы. Определение коэффициента минерализации свидетельствует о том, что весной в микробном ценозе чернозема без использования удобрений преобладала эколого-трофическая группа микроорганизмов, потребляющих минеральные формы азота (коэффициент минерализации 1,46-1,50), а при использовании биогумуса - микроорганизмы, утилизирующие азот органических соединений (коэффициент минерализации 1,12-1,38), что обусловлено поступлени ем в почву неразложившегося органического вещества (Андреюк, Иутинская, Дульгеров, 1988).
В составе микробного ценоза почв существенную роль играют целлюло-зоразлагающие микроорганизмы. Применение органических удобрений, составной частью которых является целлюлоза, вызывало рост количества данной группы микроорганизмов в 1,2-2,2 раза.
Интегральной характеристикой микробиологической активности почвы является разложение целлюлозы. Под влиянием внесения в почву органических удобрений произошло увеличение количества всех изучаемых групп микроорганизмов, и, как следствие, - разложение целлюлозы увеличилось с 45,3-55,4 до 52,6-78,3%.
Положительное действие удобрений на микробные ценозы проявлялось в течение всего периода наблюдений. Так, после уборки третьей культуры севооборота (гороха) выявлено положительное влияние на количество микроорганизмов на МПА и КАА, нитрифицирующих и целлюлозоразлагающих микроорганизмов. Это свидетельствует о длительном положительном воздействии удобрений на микробный статус чернозема выщелоченного.
Оптимизация минерального питания является важнейшим фактором повышения продуктивности сельскохозяйственных культур. Она предполагает уровень содержания элементов питания, соответствующий потребности культурных растений для формирования запланированного урожая. Обеспечение растений необходимым набором питательных веществ может достигаться дифференцированным применением доз и форм удобрений с учетом наличия и доступности их в почве. Необходимым условием системы удобрения является ее природоохранный и ресурсосберегающие компоненты, обеспечивающие высокую продуктивность и экологическую чистоту агробиоценозов.
При агроэкологической оценке систем удобрения важным показателем является уровень накопления легкогидролизуемого азота в почве. Как показали многочисленные исследования (Лебедева, 1973; Надежкина, 1994; На-дежкин, 1999) основная часть (до 98%) азота в черноземных почвах Среднего Поволжья, в т.ч. до 91% азота гумуса представлена органическими соединениями. Последние подразделяются на три фракции (легко-, трудно- и негид-ролизуемые), которые различаются по степени мобилизации. На долю легко-гидролизуемых соединений в изучаемой нами почве приходится 8,1%, труд-ногидролизуемых - 16,7%, негидролизуемых - 74%. Минеральный азот (N-Ж 2, N-N03, N-NKJOSM.) составляет 1,1% от общего содержания азота.
Азот является типичным биофильным элементом и его поведение в почве в первую очередь связано с биологическими факторами. Он является подвижным элементом, быстро реагирующим на разнообразные явления в агроценозе, к числу которых можно отнести осадки, температуру, ритмичность в поглотительно-выделительной деятельности растений, микроорганизмов и др. Это затрудняет выявление общих закономерностей формирования азотного режима почв (Русский чернозем ..., 1983).
Определение содержания легкогидролизуемого азота показало, что этот показатель в значительной мере поддается регулированию. Внесение органических и минеральных удобрений способствовало существенному росту содержания щелочногидролизуемого азота. Так, в 1999 г. после уборки картофеля количество его возрастало при внесении 3 т/га биогумуса на 5 мг/кг почвы, 6 - на 20-23 и 9 т/га - на 48-49 мг/кг почвы (табл. 11). Положительное влияние удобрений на содержание щелочногидролизуемого азота сохранялось в течение всех лет исследований.
