Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические и прикладные аспекты эволюции плодородия почв 11
1.1. Антропогенез как фактор эволюции плодородия 11
1.2. Агропроизводственная группировка почв 19
1.3. Современное состояние и трансформация плодородия 26
Глава 2. Объекты и методы оценки антропогенно-преобразованных почв 57
2.1. Методика расчета комплексного агрохимического показателя плодородия (КАП) 58
2.2. Схемы опытов, условия проведения и методика полевых и лабораторных исследований 70
2.3. Погодные и почвенные условия формирования урожаев 77
Глава 3. Оценка плодородия земель сельскохозяйственного назначения 81
3.1. Обоснование базисных показателей 81
3.2. Особенности сертификации почв 100
3.3. Оценка эволюции плодородия почв 121
Глава 4. Эффективность доз и сочетаний удобрений под полевые культуры 126
Глава 5. Азотное удобрение сои 146
Глава 6. Система удобрения в полевых севооборотах 163
6.1. Влияние насыщенности удобрениями на урожайность культур и продуктивность пашни 165
6.2. Вынос основных биофильных элементов с урожаями и хозяйственный баланс 170
6.3. Прогноз урожайности по содержанию основных биофильных элементов 178
6.4. Вредоносность сорняков в полевых севооборотах 187
6.5. Экономическая эффективность систем удобрений в севообороте 193
Глава 7. Трансформация плодородия почв в системе агроценоза 199
7.1. Влияние удобрений на показатели плодородия 199
7.2. Роль пожнивно-корневых остатков полевых культур в круговороте и балансе органического вещества и основных питательных элементов почвы 207
7.3. Использование комплексных показателей для оценки агрохимического состояния почвы 242
Глава 8. Комплексное агрохимическое окультуривание как метод повыше ния плодородия почв 251
Глава 9. Агрогенная эволюция плодородия почв Приморья 259
Заключение 263
Литература 268
- Агропроизводственная группировка почв
- Оценка эволюции плодородия почв
- Прогноз урожайности по содержанию основных биофильных элементов
Агропроизводственная группировка почв
Известно, что в результате природного почвообразовательного процесса почва приобретает естественное плодородие, обусловленное запасами питательных веществ, содержанием их в доступных для растений формах, интенсивностью процессов трансформации валовых форм в легкодоступные соединения, особенностями водно-воздушного и других режимов, реакцией среды [Кауричев и др., 1989].
В Законе "О государственном регулировании обеспечения плодородия земель сельскохозяйственного назначения" дана формулировка плодородия как "способность почвы удовлетворять потребность сельскохозяйственных культурных растений в питательных веществах, воздухе, воде, тепле, биологической и физико-химической среде и обеспечивать урожай культурных растений".
Характеризуя почву, как самостоятельную систему и одновременно подсистему биосферы, А.М.Ивлев [1984] дает понятия структуры (организации) функционирования и истории, относящихся к почве, как к сложному природному образованию и естественно-историческому телу. При этом под историей системы подразумевается развитие почвы на этапе уже законченных исторических процессов, приведших к необратимым изменениям в виде четко определенной консервативной совокупности признаков, на фоне которых проявляются современные процессы. Очевидно, характеризуя современное состояние плодородия почвы, нельзя обойтись каким-либо односторонним толкованием его природы вне связи с генезисом и характером процессов, сопровождающих современное земледелие, т.е. вне связи с антропогенезом в позитивном и негативном его проявлении.
С началом сельскохозяйственного освоения почва из природного тела с характером системы переходит в категорию средства производства, а ее природное плодородие проявляется через урожайность сельскохозяйственных растений и оценивается через эффективность, т.е. величину урожаев.
В результате обработки поверхностного слоя почвы, применения удобрений, мелиоративных приемов создается искусственное плодородие, которое в сочетании с естественным составляет суть эффективного, т.е. способного обеспечить растения необходимыми условиями для максимальной продуктивности. Искусственное плодородие обусловлено антропогенным воздействием на почву [Шишов и др., 1987; Кауричев и др., 1989; Образцов, 1990; Державин, Фрид, 2001].
Однако, согласно основного закона земледелия величина урожая и продуктивность культур зависят от множества факторов и в первую очередь от фактора, находящегося в минимуме. Поэтому важное значение приобретают материалы почвенно-агрохимических исследований, конкретизирующих величины обеспеченности почв лабильными факторами, влияющими на продуктивность, особенно по содержанию элементов питания, кислотно-щелочному состоянию, водному режиму и т.д. Такие материалы служат целям оптимизации соотношений отдельных оценок в целях создания наилучших условий для формирования урожаев, т.е. эффективного плодородия.
Наиболее распространенными приемами для этого являются применение удобрений, обработка почвы и мелиоративное воздействие.
Отмечая полигенетичность почвенной системы, как индивида, A.M. Ив лев и др. [1994] подчеркивают эволюционный характер трансформации конкретных типов почвы, при котором происходит смена качественных состояний конкретного индивида. Условиями для этого является ненарушенная биосфера. В целом же в условиях НТР антропогенное воздействие на почвообразование становится доминирующим [Иванов, 1987; Кирюшин, 1997]. По В.Н. Вернадскому [1983] биосфера под воздействием антропогенных факторов трансформируется в новое качественное образование - ноосферу.
По мнению A.M. Ивлева и др. [1994] различные почвы, испытывая внешние воздействия, усиленные антропогенным фактором, изменяют свои свойства, состав и даже морфологию. Итогом этого становится приобретение ими новых свойств, например, таких, как фосфатизация, аридизация, химическое и техногенное загрязнение тяжелыми металлами, пестицидами, радионуклидами. В целом можно ожидать возникновение нооландшафтов разного типа. При этом естественные процессы почвообразования нарушаются, почвенный покров видоизменяется или исчезает вовсе. Одновременно создаются искусственные почвы.
Система таксономических единиц установлена Междуведомственной комиссией по номенклатуре, систематике и классификации почв при АН СССР в 1958 году. Эта система не отрицает необходимость постоянного обновления знаний о природе, свойствах и агрономических особенностях почв для более дробного разделения по агропроизводственным признакам при крупномасштабном картировании и бонитировке. Таким образом, выделение типа почвы, как главной таксонометрической единицы не отрицает, а наоборот - предусматривает продолжение классификации в части типизации и группировки главных почвенных свойств и процессов, происходящих под влиянием постоянно текущих внешних природных и особенно - антропогенных факторов, опирающихся на хозяйственную деятельность человека.
Группировка почв по эколого-генетическим и морфологическим признакам не всегда отвечает требованиям производственной оценки плодородия, так как не учитывает изменения, которые могут произойти в связи с объемами агрохимических работ, длительностью и однообразностью приемов обработки, опирающихся на зональные системы машин. Степень окульту-ренности корнеобитаемого горизонта в лучшем случае позволяет иметь представление о его величине в связи с глубиной основной обработки, но никак не отвечает на вопрос об индивидуальных агрономических характеристиках и запасах питательных веществ, являющихся одним из главных условий оценки плодородия. Агрогенные формы хозяйствования при сформировавшейся традиционной системе земледелия не могут не привести со временем к известной нивелировке в характеристиках плодородия основных почвенных таксонов, характерных для определенных природных условий почвообразования. В то же время интенсивное использование пахотных земель в сочетании с приемами использования удобрений и химических мелиорантов приводит к приобретению почвами новых свойств, которые необходимо учитывать в систематике с целью более точной оценки плодородия наравне с оценкой, которая соответствует генетической номенклатуре. Поэтому при характеристике и диагностике почв, измененных под влиянием антропогенеза, кроме морфогенетических данных большое значение имеют результаты агрохимических и агрофизических анализов, существенно меняющих наше представление о производительной способности культурных растений в связи с плодородием.
Как отмечают И.И. Лебедева и др. [1993] мощные антропогенные нагрузки могут приводить к образованию специфических естественно-антропогенных почвенных и почвоподобных тел. При этом авторы классифицируют блок антропогенно-преобразованных почв на поверхностно- и антропогенно преобразованные или антропоземы, из которых выделяют класс агроземов, т.е. почвы, у которых в результате агрогенного преобразования на месте двух или более естественных почвенных горизонтов сформировался новый гомогенизированный гумусовый агрикультурный поверхностный горизонт "Р".
Оценка эволюции плодородия почв
Так, исследования морфологических свойств почв дали возможность заключить, что генетический тип почв, так таксономическая единица, представлена самыми разными агрогруппами плодородия. Между исследуемыми типами в процессе сельскохозяйственного освоения не обнаруживается четкой границы, позволяющей разделить их по агроэкологическим признакам. В пределах каждого типа обнаруживается полный набор агрогрупп с близкими оценками обобщенного плодородия, интегрированного из показателей мощности гумусового горизонта, гранулометрического состава, содержания гумуса, валовых и подвижных форм биофильных элементов, физико-химических и физических свойств. Это касается повехностно-преобразованных горизонтов, ниже по профилю контраст сохраняется.
Полученные данные гранулометрического состава подтверждают предположение о большом разнообразии почв по характеру литологических профилей даже вне таких контрастных рядов, как бурые лесные и пойменные. В пределах же одного типа, например буро-отбеленных, наблюдается большой спектр разностей по гранулометрическому составу. Это, как считает автор этого раздела монографии А.А. Бессарабова, необходимо учитывать при разработке мероприятий сохранения и повышения плодородия почв, в том числе, противоэрозионных, агро- и гидромелиоративных и т.д..
Гидрофизические показатели [В.И. Ознобихин] также свидетельствуют об отсутствии четкой границы между исследуемыми типами почв на пашне. Гораздо большее влияние на них оказывает характер поверхностных обработок почвы и структура агроценоза. Объемная масса в слое 0-20 см имеет самый разный характер плотности от рыхлого до чрезвычайно плотного и в основном зависит от использования пашни, в меньшей степени - от типа почвы. Объемная масса подпахотных горизонтов оценивается наивысшей плотностью во всех изучаемых разрезах. В иллювиальных горизонтах она снижается, но степень снижения самая разная и не связана с типом почвы.
Связанное с объемной массой изменение влагоемкости: полной, капиллярной, наименьшей полевой, а также недоступной: влажности разрыва капилляров, влажности завядания, максимальной гигроскопичности, показывает зависимость от степени диспергации вещества. Соотношение этих свойств, выраженное в виде таких функциональных величин, как диапазон -активной и продуктивной влаги, максимальная и капиллярная водоотдача, обусловлено разнородным исходным состоянием, как гранулометрического состава, так и агрегативностью вещества.
Таким образом, изученные гидрофизические свойства не отражают специфики на уровне типов почв в части свойств, оказывающих влияние на формирование элементов водного баланса. Последний формируется в зависимости от типов водного режима, определяющихся, прежде всего, различными источниками поступления влаги и общим ее количеством. Именно специфика водного баланса характерна для каждого типа почв. Гидрофизические же свойства при этом играют хотя и активную, но подсобную роль статиста.
Проведен химический анализ образцов почвы по определению общего содержания гумуса, группового и фракционного его состава, а также валового азота по Кьельдалю. Обнаружено, что все типы почв, подвергшихся антропогенным изменениям имеют преимущественно очень низкое и низкое содержание гумуса. Между генезисом почв и их гумусированностью отсутствует связь. Процессы минерализации органического вещества почвы преобладают над синтезом гумуса, типы гумусообразования зависят от характера использования сельскохозяйственных угодий (пашня, залежь, сенокос, выгон) и имеют либо гуматно-фульватный (Сг.к.: Сф.к. больше 1) или фульфат-но-гуматный (Сг.к.:Сф.к. меньше 1) характер. Уместен вывод, что только свежее органическое вещество (пожнивно-корневые остатки, органические удобрения) способствует перераспределению фракций 1 и 2 гумусовых кислот, обогащая почву новообразованными лабильными гумусовыми веществами, снижающими процесс деградации гумуса.
Отмечая своеобразие гумусообразования почв на юге Дальнего Востока, которое зависит от особенностей гидротермических условий, автор раздела монографии под заголовком "Энергетические запасы гумуса" Л.Г. Пуртова отмечает, что при использовании почв в земледелии, наряду со снижением содержания гумуса наблюдается резкое уменьшение энергозапасов и соответственно потенциального плодородия. Характер снижения энергозапасов прямо зависит от окислительно-восстановительных режимов почвы, связанных с гидроморфизмом и содержанием гумуса, между которыми имеются тесная корреляционная связь. Автор делает вывод, что пахотные почвы, сформированные в различных гидротермических условиях различаются по энергетическим показателям гумуса. Наибольшие энергозапасы отмечены для глееземов и поймоземов глубокогумусированных, что связано с заиливанием верхних горизонтов. Формирование почв с высокими энергозапасами происходит, в основном, в условиях резко контрастного ОВ режима. В целом для Приморского края характерна тенденция к снижению энергозапасов в буроземах и буроземно-луговых почвах.
В отобранных образцах почв Л.Н. Щаповой исследована биологическая активность. Определены биогенность, содержание споровых форм и интенсивность минерализационных процессов. Оценка микробной системы в целом для всех типов почв удовлетворительная и хорошая. Автор делает вывод о том, что анотрпогенное влияние настолько изменило микробную систему, что биогенность разных типов почв оказалась практически одинаковой. Микробиологическое состояние пахотных почв зависит прежде всего от культуры земледелия.
Для почв тяжелого гранулометрического состава, формирующихся в условиях муссонного климата южной части Дальнего Востока проблема азота в земледелии и азотного питания растений всегда была одной из основных в почвенно-агрохимических исследованиях [Слугин, 1952; Неунылов, 1961; Грицун, 1969; Лихачева, 1973]. Это обусловлено большой динамичностью азотных соединений почвы, их зависимостью от содержания и трансформации органического вещества, интенсивности системы удобрений, характера окислительно-воосстановительных процессов. Ежегодные потери органического вещества почвы достигают по данным ряда авторов от 500 до 1500 кг/га [Федоров; Аксенов; 1986; Сидорова, 1989]. Данные, выполненные С.А. Боровой и приведенные в разделе 3.6 "Азотное состояние" монографии, оценивают состояние горизонтов почв по валовому содержанию азота, а также его подвижных минеральных и легкогидролизуемых форм. Установлена очень низкая доля нитратного азота в общем азотном режиме, что не согласуется с исследованиями А.Т. Грицуна [1964]. Содержание аммонийного азота в 2-10 раз больше, чем нитратного в пахотных горизонтах и многократно увеличивается с глубиной. Характер распределения легкогидролизуемого азота (метод Тюрина-Кононовой) не имеет определенной закономерности ни по типам почв, ни по генетическим горизонтам.
В агрогенно-преобразованных поверхностных горизонтах основных типов почв рассмотрены содержание и поведение соединений азота отдельно для стабильной и динамичной частей. К стабильным отнесены формы азота, определяемые фракционным анализом по методу Шконде-Королевой, а также фиксированный аммоний, а к динамичной - нитратная и аммонийная формы и легкогидролизуемый азот.
Данные по фракционному составу показывают, что основная часть азота представлена негидролизуемыми (66±0,3 проц.) и трудногидролизуемые (21 ±0,7 проц.) фракциями. Различия между типами почв не существенны, от 64 проц. для бурых лесных почв до 70 проц. для пойменных по содержанию негидролизуемых фракций азота и от 18 проц. для луговых глеевых до 25 проц. для бурых лесных почв по величине трудногидролизуемых фракций. Минеральные формы азота для всех типов почв составляют около 1,4 проц. от валовых. Имеется прямая связь количества фиксированного аммония с содержанием гумуса. Полученные данные по стабильной и динамичной части азотного состояния агрогенных горизонтов почв свидетельствуют об отсутствии связи с типами почв и зависят от характера их использования в сельскохозяйственном производстве.
Прогноз урожайности по содержанию основных биофильных элементов
Удобрения вносились при набивке сосудов из расчета применяемых в крае доз на 1 га пашни. Пересчет доз удобрений на 1 кг почвы производили учитывая объемную массу. Фосфор и калий смешивались со всей почвой, азотнокислый аммоний (в 1966 г. - азотнокислый кальций, меченый по 15N) добавлялся в сосуды в растворенном виде однократно при поливе растений в фазе всходов.
Недостаточная изученность вопросов питания сои азотом из различных источников, а также накопления растениями питательных веществ и в связи с этим темпов прироста урожая в зависимости от азотного режима почвы, поставили задачу уточнения некоторых вопросов теории азотного питания сои из почвы и других источников. Для этой цели полевые и вегетационные опыты сопровождались лабораторными исследованиями и допольнительными наблюдениями.
При проведении лабораторных исследований ориентировались на следующие основные принципы: а) отражать данными этих исследований динамику почвенных процес сов ежегодно по нескольким одинаковым показателям и в зависимости от то го или иного воздействия на почву с целью повышения ее плодородия; б) исследовать почвенные образцы в состоянии, возможно более близ ком к тому, в котором почва находится в полевой обстановке. Исходя из этих принципов, исследования проводились преимущественно свежих почвенных образцов, бравшихся с поля ежегодно по 6-7 раз за сезон по вариантам опытов и подвергавшихся анализу при влажности, сложившейся в поле.
Особое внимание было обращено на тщательность взятия полевых образцов для анализов. Генеральные образцы для получения характеристики почвы в начале опыта составлялись из 100 равновеликих проб (прикопок), взятых в точках, равномерно распределенных по площади участка. Образцы для исследований подвижных форм питательных элементов составлялись не менее, чем из 20 проб.
Достоверность анализов растительных образцов во многом зависит не только от способа подготовки средней пробы, но и от времени взятия образца. В листьях растений происходит накопление и отток углеводов в процессе фотосинтеза в зависимости от интенсивности солнечной радиации. Содержание азота в листьях на протяжении суток может изменяться почти на 1 проц. в пересчете на сухой вес, тогда как общее максимальное содержание азота в растениях обычно не превышает 5 проц. Поэтому для получения более достоверных и сравнимых между собой данных мы брали образцы растений ежегодно в одни и те же фазы развития и в одно время суток. Взятие образцов для анализа проводилось с таким расчетом, чтобы средняя проба качественно отражала всю растительную массу с опытной делянки, что имеет существенное значение для расчетов выноса азота и других питательных веществ.
- 77 Средний образец состоял из растительных проб, взятых из 5 расположенных по диагоналям делянки мест. В каждом месте срезали по 10 растений из рядка сои подряд. Если учесть, что к периоду взятия первых -образцов на делянке (50 м2) находилось 1500-1800 растений, то средний образец составлял 3-3,5 проц. от всей растительной массы.
Растения расчленяли на листья, стебли и бобы и в полученной отдельно по этим органам массе определяли влажность в средней пробе.
Кроме валового химического анализа и определения гранулометрического состава пахотного слоя почвы производили некоторые агрохимические анализы почвенных образцов, взятых с полей перед закладкой опытов. Определяли содержание гумуса по Тюрину, общего азота по Кьельдалю, рН водной суспензии и солевой вытяжки, сумму поглощенных оснований, подвижные формы питательных элементов: фосфора (по Гинзбург) и калия (по Мас-ловой).
Динамика нитратного и аммиачного азота по различным вариантам азотного удобрения изучалась нами в течение двух лет. Нитраты (водная вытяжка из почвы) определяли с дисульфофеноловой кислотой, аммиак (в 0,1 н КС1 вытяжке) с реактивом Несслера.
При изучении динамики подвижной фосфорной кислоты применялся метод извлечения ее 1 проц. раствором лимонной кислоты (модификация Б.А. Неунылова). Интенсивность окраски растворов определяли на фотоэлектрическом колориметре ФЭК-М-57. Изотопный состав азота растительных и почвенных образцов определялся масс-спектрометрическим методом.
Полевые и вегетационные опыты сопровождались фенологическими наблюдениями, а также учетами накопления урожая надземной массы, корней и клубеньков, высоты растений, образования листовой поверхности и некоторыми другими. После созревания растений проводились биометрические анализы сноповых образцов (50-100 растений), взятых с основных вариантов двух несмежных повторностей опыта.
Результаты по урожайности зерна в полевых и вегетационных опытах и накоплению сухого вещества по органам растений в вегетационных опытах подвергали математической обработке.
Своеобразие природно-климатических и почвенных условий Приморского края объясняется его географическим положением, при котором основные земледельческие районы расположены на одной широте с югом Украины, Черноморским побережьем Кавказа, Крымом. Большая часть земледелия, в т.ч. и наши опыты, расположена на территории Раздольно-Ханкайской равнины, вытянутой в северо-восточном направлении. Западнее озера Ханка она переходит в низкогорья Пограничного хребта, а на юго-западе ограничена Шуфанским плато. С юга она ограничена Амурским заливом, а к востоку от
- 78 равнины расположена горная система Сихотэ-Алиня, пересекающая всю территорию края с севера на юг.
Сложный рельеф, различие термических свойств огромного Тихоокеанского бассейна и континента, вытянутость территории в широтном направлении обуславливают большое разнообразие почвенно-климатических условий в отдельных административно-территориальных образованиях региона.
Климат края значительно суровее, чем в одноширотных районах европейской части страны. Тип климата муссонный с чередующимися в зависимости от времени года направлениями ветров. Зимой здесь господствуют холодные и сухие ветры, дующие с материка в направлении области низкого давления над Тихим океаном, летом область высокого давления перемещается на океан, обуславливая смену направления ветра, которые приносят на сушу много осадков. К характерным особенностям климата можно отнести также своеобразные колебания относительной влажности воздуха (весенний и осенний минимумы, летний и зимний максимумы), маломощный и неустойчивый снежный покров, глубокое промерзание почвы, большой перепад сезонных температур.
Зимой вследствие большой разницы в атмосферном давлении над территорией суши на севере Азии и океана (Азиатский антициклон) через территорию Приморья устремляется мощный поток холодного и сухого континентального воздуха - зимний муссон. Он сильно охлаждает и высушивает воздух, что приводит преимущественно к холодной и ясной солнечной погоде. Период устойчивых среднесуточных температур воздуха ниже 0 устанавливается в северных и высокогорных районах края в конце октября, а в южных и прибрежных - в первой половине ноября. Средняя температура зимнего периода, по данным агрометеостанций, составляет -2, с колебаниями минимума и максимума от -5 до -19 в январе. Снежный покров играет несущественную роль в водном балансе почвы, так как постепенно в течение зимнего периода и в самом начале весны подвергается испарению под влиянием усиливающейся солнечной радиации. Тем не менее, даже маломощный снежный покров надежно защищает почву от глубокого промерзания, способствует лучшей перезимовке многолетних полевых культур.
Весна ранняя и затяжная. В середине марта происходит постепенная смена сезонного направления господствующих ветров. К началу апреля среднесуточные температуры воздуха приобретают положительные значения. В конце марта - начале апреля оттаявший слой почвы достигает 5-7 см, а в конце второй декады повсеместно оттаивает на глубину пахотного слоя.
В связи с незначительной ролью снеготаяния в балансе почвенной влаги сроки начала полевых работ для большинства степных районов края определяются по мере оттаивания почвы.
Следует подчеркнуть засушливый характер весеннего периода, отрицательное значение которого усугубляется сильными ветрами. Часты случаи, когда сельскохозяйственные культуры испытывают недостаток влаги во вторую половину весны и начале лета (табл. 2.7, рис. 2.2).
