Содержание к диссертации
Введение
1 ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ НА ПРОДУКТИВНОСТЬ, БИОЛОГИЧЕСКИЕ КАЧЕСТВА И ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ БЕЗОПАСНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР (обзор литературы) 7
1,1. Урожайность и биологические качества. , 7
1.2. Санитарно-гигиенические показатели 24
1.2.1. Нитраты 24-
1.2.2. Тяжелые металлы 3f
2. УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 43
2.1. Почвенно-климатические условия 43
2.2. Методик проведения опытов и лаборaторных исследовании 47
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.
3,1 . Действие и последействие минеральных удобрений на урожайность и биологические качества продукции растениеводства 51
3.1. L Сахарная свекла 51
3.1.2. Ячмень 67
3.1.3. Кукуруза на силос 78
ЗЛА Горох 83
3.2. Влияние минеральных удобрений на показатели экологической безопасности сахарной свеклы, ячменя, кукурузы на силос и гороха 90
3.2.1. Нитраты
3.2.2. Тяжелые металлы 97
3.7. Экономическая эффективность применения минеральных удобрений 103
ВЫВОДЫ 113
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ. 115
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 116
ПРИЛОЖЕНИЯ 136
- Урожайность и биологические качества.
- Методик проведения опытов и лаборaторных исследовании
- Влияние минеральных удобрений на показатели экологической безопасности сахарной свеклы, ячменя, кукурузы на силос и гороха
Введение к работе
Актуальность темы исследовании. Экологический подход к сельскохозяйственному производству предопределяет сохранение и повышение плодородия почв, создание условий для их осуществления и получения растениеводческой продукции, отвечающей санитарно-гигиеническим требованиям при существенном сокращении материальных, энергетических и иных затрат.
Особую актуальность решение згой проблемы приобретает в Центрально-Черноземной зоне, являющейся одним из основных регионов страны по производству зерна, пивоваренного ячменя, сахарной свеклы, кормовых культур, с развитым общественным животноводством.
В условиях затяжного экономического кризиса при ограниченных производственных ресурсах повышение урожайности сельскохозяйственных культур, продуктивности севооборотов, получение высококачественной конкурентоспособной '. продукции возможно при разработке адаптивных технологий, которые сводили бы к минимуму непроизводительные затраты минеральных удобрений, органично вписывались в эколого-ландшафтную систему земледелия с учетом почвенно-климатических условий и оптимального режима минерального питания растений. На важность решения данной проблемы указывали в своих работах В.Г. Минеев (2000), В.И. Кирюшин (2001) и др.
Анализ литературных источников свидетельствует, что качество сельскохозяйственной продукции во многом определяется дозами и сроками внесения минеральных удобрений. В большинстве своем экспериментальные данные получены авторами во временных опытах при статистической обработке на уровне определения наименьшей существенной разности. Объективность полученной информации значительно возрастает при проведении исследований в стационарных опытах в специализированных севооборотах, прошедших две-три ротации культур. Богомазовым Н.П. (1994), Лукиным СВ. (1999), Пендюриным Е.А. (2000) в длительных полевых опытах в условиях Белгородской области установлены закономерности влияния возрастающих доз Минеральных удобрений на урожайность и качество продукции сельскохозяйственных культур
без вычленения роли каждого из элементов минерального питания растений, Факториальная схема наших исследований позволяет выявить влияние каждого из элементов системы удобрения в нескольких градациях, установить их оптимальные дозы и соотношения, обеспечивающие высокие урожаи сельскохозяйственных культур с качеством растениеводческой продукции, соответствующим санитарно-гигиеническим нормам.
Установленные математические зависимости между изучаемыми факторами позволяют моделировать процесс получения экологически безопасной сельскохозяйственной продукции, осуществлять заблаговременный прогноз получения необходимого количества продукции заданного качества.
При дефиците удобрений и ввиду их высокой стоимости данный вопрос приобретает особую актуальность.
Цель и задачи исследования. Основная цель исследований состояла в разработке оптимальной системы минеральных удобрений в зерно-свекловичном севообороте для получения высоких урожаев экологически безопасной продукции.
В связи с этим были поставлены следующие задачи:
-
Изучить действие различных доз минеральных удобрений на урожайность и качество сахарной свеклы и. кукурузы на силос, и последействие их на ячмене и горохе.
-
Выяснить действие и последействие удобрений на санитарно-гигиенические показатели растениеводческой продукции.
-
Разработать математическую модель прогнозирования эффективности внесения минеральных удобрений, в том числе в зависимости от складывающихся погодных условий предыдущего года и вегетационного периода.
-
Рассчитать экономическую эффективность применения различных доз и сочетаний минеральных удобрений в зерно-свекловнчном севообороте в зависимости от погодных условий.
Научная новизна. Установлена математическая зависимость между дозами минеральных удобрений, урожайностью и качеством урожая сахарной
свеклы, ячменя, кукурузы и гороха. Использование расчетных моделей позволяет находить оптимальные дозы минеральных удобрений для получения высоких урожаев биологически полноценной и экологически безопасной продукции растениеводства при минимальных материальных затратах. Определен характер действия и последействия основных видов удобрении и их взаимодействие в звеньях севооборота: сахарная свекла - ячмень, кукуруза на силос - горох. Впервые в условиях Белгородской области установлено, что эффективность азотных удобрений при основном внесении на сахарной свекле зависит от осадков в ноябре месяце предыдущего года (R-0,97). По количеству выпавших осадков в ноябре можно заблаговременно (за 9 месяцев до уборки) прогнозировать эффективность азотных удобрений и продуктивность сахарной свеклы, что имеет большое экономическое значение.
Практическая значимость и реализация результатов исследований. Разработанная система внесения минеральных удобрений на основе математических моделей, прогнозирующих их эффективность, обеспечивает высокую продуктивность сельскохозяйственных культур (сахарной свеклы, ячменя, гороха и кукурузы), получение экологически безопасной продукции растениеводства, воспроизводство почвенного плодородия и экологическую безопасность применения минеральных удобрений на выщелоченных черноземах Юго-Запада ЦЧЗ.
Показано, что применение эффективных доз удобрений, рассчитанных с помощью уравнений регрессии, позволяет получать дополнительно 99-189 ц/га сахарной свеклы; 5,2-20,4 п/га ячменя; 60-131 ц/га кукурузы на силос и 0,4-9,0 ц/га гороха. При этом содержание тяжелых металлов и нитратов в товарной части урожая соответствовало санитарно-гигиеническим требованиям. Рекомендуемые дозы минеральных удобрений, как правило, не оказывали негативного воздействия на содержание тяжелых металлов в почве и нитратов в продукции растениеводства.
Результаты исследований внедрены в 2? интегрированных хозяйствах компании "Эфко" Белгородской области.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийском координационном совещании учреждений Географической сети опытов с удобрениями (Москва, 1998 г.), на II и III международных научно-производственных конференциях Белгородской сельскохозяйственной академии (Белгород, 1998, 1999гт.), на Международной научно-практической конференции Белгородского государственного университета (Белгород, 1998 г.), на Докладах Докучаевских молодежных чтений, посвященных 275-летию СПбГУ (Санкт-Петербург, 1999 г.) и на Международном симпозиуме во ВНИПТИХИМ (Немчиновка, 2003 г.).
Урожайность и биологические качества
Минеральные удобрения оказывают существенное влияние на урожайность и качество возделываемых сельскохозяйственных культур. Их отзывчивость на удобрения зависит от погодных условий, агротехники, биологических особенностей растений и других факторов.
Одним из основных элементов питания растений является азот. Он входит в состав белков, РНК и ДНК, хлорофилла, фосфатидов, алкалоидов, некоторых витаминов, ферментов и других органических веществ (Д.Н. Прянишников, 1963).
В большинстве свекловичных районов РФ и ЦЧЗ азот находится в первом минимуме. Объясняется это тем, что запас доступного азота в почвах при постоянном возделывании культур ограничен (Научные основы эффективного применения удобрений в ЦЧЗ, 1983).
Из всех полевых культур сахарная свекла является наиболее требовательной к почвенному плодородию. Многочисленные опыты свидетельствуют о её высокой отзывчивости на удобрения.
Сахарная свекла поглощает больше азота, чем другие культуры, поэтому нуждается в более интенсивном азотном питании.
Исследованиями В.В. Кирпиченко, проведенными в течение 4 лет на типичном черноземе Воронежской области с содержанием гумуса 6-8% показано, что внесение азотных удобрений в дозах 60,90 и 120 кг/га на фоне РбоКбо увеличивало урожайность сахарной свеклы на 12, 25 и 45 ц/га соответственно, при урожайности на фоне РК 222 ц/га. В среднем за 3 года на типичных черноземах лесостепи этой области от внесения азота в дозах 60,90 и 120 кг/га на фоне РбоКбо прибавки сахарной свеклы составили 19,33 и 40 ц/га, при урожайности на фоне РК 177 ц/га (В.В. Кирпиченко, 1972,1977).
В опытах В,И. Шульгина (1973), проведенных на старопахотном типичном черноземе Воронежской области с содержанием гумуса 6,7-6,9%, внесение азота в дозах 60-90 кг/га по фосфорно-калииному фону (РбоК6о) повышало урожайность сахарной свеклы на 17,4 и 18 ц/га, при урожайности на контроле 190 ц/га, а по фону РК — 250 ц/га.
На выщелоченном черноземе Липецкой области, содержащем 5,7-7,8% гумуса, прибавки от азотных удобрений в дозах 60 и 90 кг/га составили 28 и 40 ц/га по сравнению с фосфорно-калийным фоном (РадК6о), где урожайность была 315 ц/га вместо 269 ц/га на контроле (Л.И. Ксенз, 1975).
Аналогичные результаты по влиянию азотных удобрений на урожайность сахарной свеклы получены в опытах И.Д. Филатова (1972) и В.П. Поддубного с соавторами (1978). На выщелоченных черноземах Тульской и Белгородской областей с содержанием гумуса 5,8 и 7,5 % возрастающие дозы азотных удобрений от 60 до 135 кг/га повышали урожайность свеклы на 20-49 ц/га по сравнению с фоном Рбо-9оКбо-9о Однако, в других опытах, где применяли повышенные дозы азотных удобрений их эффективность была значительно выше, чем в предыдущих. Так, по данным И.К. Деметьева (1978), полученным на выщелоченном черноземе Липецкой области в производственных посевах, при внесении азота в дозах 60,90,120 и 180 кг/га по фосфорно-калийному фону Р120К120» урожайность сахарной свеклы повышалась на 59,93,131 и 160 ц/га, при урожайности на контроле 166 ц/га, по фону РігоКіго — 201 ц/га.
В условиях Белгородской области на выщелоченном черноземе с содержанием гумуса 4,9-5,1%, Д.М. Иевлев, Л.М. Колесников (1979) показали, что азот, внесенный в дозах 120,180 и 240 кг/га на фоне РК, обеспечил прибавку сахарной свеклы - 95,134 и 167 ц/га соответственно, при урожайности на фоне PISOKISO — 340ц/га.
Высокое положительное действие азотных удобрений на урожайность сахарной свеклы в условиях вегетационного опыта Воронежского СХИ отмечено Л.М. Вадковским (1973). Автор показывает, что при раздельном внесении азотных, фосфорных и калийных удобрений получены прибавки корнеплодов соответственно 65,7;3,9;0,9г.
В то же время, в работах отдельных авторов азотные удобрения на черноземах были малоэффективны при внесении под свеклу, о чем свидетельствуют данные Льговской опытной селекционной станции (Л.А. Сивак, М.Т. Марченко (1973); А.В. Дубич (1979), ВНИС Е.А. Тонкаль, И.Я Миненко (1978) и др). Например, на Льговской опытно-селекционной станции (Курская обл.) прибавка урожайности от внесения N6oP60 6o составила 53 ц/га, при добавлении в эту смесь азота в дозе 120 кг/га прибавка составила 64 ц/га, при урожайности на контроле 372 ц/га.
При возделывании сахарной свеклы на черноземах и серых лесных почвах ЦЧЗ, во многих опытах выявлено положительно влияние на урожайность фосфорных удобрений. В подавляющем большинстве случаев эти данные получены на почвах с низким и средним содержанием подвижного фосфора.
По данным Тамбовской зональной агрохимической лаборатории (Г.А. Булаткин, 1969), в опыте на выщелоченном черноземе с низким содержанием фосфора урожайность на контрольном варианте составила 170 ц/га. От внесения N60K6o и МбоРодКбо получена прибавка урожайности 12 и 78 ц/га корнеплодов соответственно. В двух опытах на такой же почве, но со средним содержанием Рг05 (9 мг/100г) урожай на контроле составил 209-278 ц/га; прибавка урожайности корнеплодов от Р2о на фоне ЫбоКбо - 82-92 ц.
В опытах Льговской опытно-секционной станции (А.В. Дубич, 1979) на выщелоченном черноземе, низкообеспеченном подвижным фосфором, внесение Nj2oK4o повышало урожайность сахарной свеклы на 11-45 ц, а внесение Р2о в зависимости от предшественника повышало урожай на 127-190 ц/га.
Методик проведения опытов и лаборaторных исследовании
Полевые опыты проводили на выщелоченном черноземе со средним содержанием подвижного фосфора и повышенным калием в севообороте: черный пар, озимая пшеница, сахарная свекла, ячмень, кукуруза на силос в первой ротации, во второй и третьей горох заменил черный пар.
Схема, представляющая собой выборку одной четвертой части из многофакторного опыта (4x4x4) состояла из 16 вариантов.
Азотные, фосфорные и калийные удобрения в дозах 0, 1 ,2 ,3 вносились в различных сочетаниях.
Варианты каждого из двух повторений объединены в два блока, состоящие из 8 вариантов.
1 блок-000, 111,220,331,202,313,022, 133
2 блок- 333, 222, 113, 002, 131, 020, 311, 200
Здесь дозы кодированы, например 111 означает N90P50K90 для сахарной свеклы. Использование блоков в схеме позволило сократить количество повторений в опыте до двух. При обозначении вариантов в опыте для более удобной записи указываются только номера доз удобрений, опускаются символы N, Р, К, но строго соблюдается их порядок, например З Ї1 означает сочетание тройной дозы азота и по одной дозе фосфора и калия.
Размещение вариантов минеральных удобрений в севообороте указано в таблице 1. Единичные дозы азота, фосфора и калия под сахарную свеклу N90P50K90, под кукурузу гчГ60РзоКб(ь ячмень и горох испытывали последействия удобрений. Двойные и тройные дозы удобрений соответственно увеличиваются в 2 и 3 раза.
В пространстве опыт представлен тремя полями, последовательно открытыми во времени. Аммиачную селитру, двойной суперфосфат и хлористый калий вносили осенью под вспашку зяби или поверхностную обработку почвы, в случае с озимой пшеницей. Посев проводили семенами озимой пшеницы сорта «Белгородская-5» в первой и второй ротации и «Альбатрос одесский» в третьей, сахарной свеклы Льговский гибрид, ячменя «Нутанс-518», кукурузы «Днепропетровский-247», гороха «Уладовский юбилейный», районированными в Белгородской области. Агротехника — общепринятая для зоны. Учет урожая сплошной поделяночный с применением комбайнов «Сампо», КСТ-№А. Е-280. Посевная площадь делянки 132 м2, учетная - 72 м2.
Закладку опытов, сопутствующие исследования, отбор почвенных и растительных образцов, уборку урожая проводили в соответствии с методическими пособиями (методические указания 1965, L975; А.С. Молостов, 1966; Д.А. Доспехов, 1968, Н.В. Перегудов, Т.И. Иванова, 1978 ).
В почве гумус определяли по Тюрину, рН в соляной вытяжке с помощью рН- метра мл/м - 64, сумму поглощенных оснований - по Каппену-Гильковицу, гидролитическую кислотность по Кап пену, валовой азот по Къельдалю, гидролизуемый азот по Корнфильду, фиксированный аммоний по Бремнеру в модификации В.Н. Кудеярова, валовой фосфор - сжиганием в серой и хлорной кислотах с последующим колориметрированием, подвижный фосфор по Чирикову, подвижность фосфатов в 0,02Н СаСЬ, обменный калий по Чирикову и Масловой, необменный калий по Пчелкину, водорастворимый по Александрову, степень подвижности калия в 0,005Н СаСІг, необменный калий- по Гедройцу, емкость поглощения почв по методу Бойко.
Азот, фосфор и калий в растительных образцах определяли в одной пробе после мокрого озоления с добавлением в качестве катализатора хлорной кислоты. Азот в аппарате микро-Къельдаля, фосфор-колориметри чески, калий — на пламенном фотометре.
Содержание сырого белка рассчитывали по общему содержанию азота с учетом соответствующих коэффициентов перерасчета (А.И. Ермаков и др., 1987 г. Крищенко В.П., 1983).
Содержание сахара в корнеплодах сахарной свеклы определяли после горячей дигестии и осаждения белков уксуснокислым свинцом на сахариметре СУ-3 (А.И. Ермаков, 1972). Сухое вещество определяли весовым методом после доведения воздушно-сырой массы в сушильном шкафу до постоянного веса при температуре 105:
Влажность и засоренность зерна определяли весовым методом, выражая в процентах содержание влаги и примесей.
Содержание нитратов в растительном материале определяли ионоселективным методом, ТМ - методом ААС.
Математическую обработку результатов исследований проводили с использованием корреляционно-регрессионного метода (Б.А. Доспехов, 1985; В.П. Перегудов, 1978; Т.И. Иванова, 1988, 1989) на персональных компьютерах.
Для определения экономической эффективности применения удобрений были использованы «Методические указания для определения экономической эффективности удобрений и других средств химизации, применяемых в сельском хозяйстве» (1979) и «Инструкция и нормативы по определению экономической и энергетической эффективности применения удобрений» (1989).
Влияние минеральных удобрений на показатели экологической безопасности сахарной свеклы, ячменя, кукурузы на силос и гороха
В Центральном Черноземье без применения минеральных удобрений получать стабильно высокие урожаи сельскохозяйственных культур довольно сложно. Удобрения смягчают негативное влияние неблагоприятных погодных условий и значительно увеличивают урожайность (в 1,5 и более раз). Основная доля прибавки урожая формируется за счет азота, который в этой зоне находится в первом минимуме, особенно на почвах, хорошо обеспеченных фосфором и калием, а t таких почв в ЦЧР 56 и 80 % соответственно. Улучшение агротехники, применение азотных удобрений усиливают процесс нитрификации в почве, а следовательно обеспеченность им растений и рост урожайности возделываемых сельскохозяйственных культур. Однако при неблагоприятных условиях нитратный азот способен накапливаться в растительных тканях в избыточных количествах, токсичных для животных и человека. В России, также как во многих других странах действуют нормативы содержания нитратов в кормах для сельскохозяйственных животных. Они дифференцированы по их видам и состовляют для зеленых кормов 500, для грубых 1000, для зернофуража 300, для кормовой свеклы 2000 мг на кг сырой массы. Результаты наших исследования по изучению влияния минеральных удобрений на содержание нитратов в сахарной свекле, ячмене и кукурузе, выращиваемой на силос представлены в табл. 36-38. Анализ этих данных показывает, что степень изменения накопления нитратов в изучаемых культурах под влиянием удобрений заметно изменялась в зависимости от их биологических особенностей, ф анализируемого органа растений и погодных условий в годы проведения опытов. В наших условиях максимальным накоплением нитратов характеризовалась сахарная свекла, особенно ее ботва (табл.36). Без внесения % минеральных удобрений концентрация NO3 в ней колебалась по годам от 94 до 458 мг на кг сырой массы, при ПДК, равной 500 мг на кг. В корнеплодах содержание нитратов на неудобренных вариантах было в 1,5-5,4 раза меньше, чем в ботве и не превышало 0,03-0,04 ПДК. Удобрения (N]80PiooKt8o) значительно повышали этот показатель. Соответствующее увеличение достигало в зависимости от года наблюдений 2,0-3,0 раз по ботве и 2,0-4,5 раза по корнеплодам. Следует отметить, что свекла отличается от большинства сельскохозяйственных культур высокой концентрацией f нитратов в растительных тканях. В наших опытах этот показатель был очень невысоким, что является косвенным показателем правильности выбранной дозировки азотных удобрений. По крайней мере, доля N в удобрение, вероятно, не завышена. В кукурузе, выращиваемой на силос, содержание нитратов колебалось по годам на варианте без удобрений от 0,1 до 0,4 ПДК; а с удобрениями от 0,17 до 0,58 ПДК. Соответственно прирост содержания нитратов, обусловленный внесением удобрений колебался по годам незначительно от 1,6 раза в 1990 году до 1,9 раза в 1988. Как известно репродуктивные органы растений отличаются минимальным накоплением нитратов. В наших условиях концентрация нитрат-ионов в зерне ячменя составила в 1989 году 40-42 мг на кг (0,14 ПДК), а в 1991 соответственно 92-98 и 0,31 ПДК. Интересно, что минеральные удобрения практически не изменяли накопления нитратов в зерне, что также соответствует общему биологическому принципу о большей защищенности репродуктивных органов от воздействий токсинов, по сравнению с вегетативными органами. В наших условиях содержание нитратов в соломе было выше, чем в зерне, но не превышало 0,20-0,34 ПДК для зернофуража. Кратность увеличения накопления нитратов в соломе по сравненито с зерном составила в 1991 году всего 2,0 и 4,4 раза, а в 1989 году достигла 8 и 22 раз соответственно без удобрений и с удобрениями. Необходимо отметить, что удобрения увеличивали этот показатель по соломе примерно в такой же степени, что и в кукурузе на силос (табл. 37).
Накопление нитратного азота в растениях тесно связано не только с удобрениями, но и с погодными условиями. Сопоставляя между собой данные табл. 36 и 38, в которых представлены результаты изучения этого показателя в сахарной свекле и кукурузе, выращиваемых в 1988, 1989 и 1990 годах, можно отметить, что в каждой из этих культур максимальное содержание нитратов наблюдалось по всем вариантам опытов в 1989 году, а минимальное в 1990.
Соответствующие различия по годам составили на вариантах без удобрений 33% для корнеплодов сахарной свеклы; 4,9 раза для ботвы и 3,1 раз для кукурузы. При внесении удобрений эти различия по годам еще более возрастают и составляют соответственно 3,1; 7,4 и 3,4 раза. Следовательно, при внесении удобрений (NjsoPшо чso) колебания в содержании нитратов по годам более значительны, чем на фонах без удобрений (табл. 36 и 38)
