Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Проблема поддержания и целенаправленного регулирования почвенного плодородия
1.1 Органическое вещество почвы и его роль в гумусообразовании
1.2 Влияние многолетних трав на гумусовое состоянии почв 23
1.3 Основные направления регулирования гумусового состояния длительно используемых почв выработанных торфяников
Выводы по главе 1 37
Глава 2 Характеристика торфяных почв и почв выработанных торфяников Мещерской низменности. Выбор объекта исследований
2.1 Краткая характеристика Рязанской Мещеры 38
2.2 Описание торфяных почв и почв выработанных торфяников 43
2.3 Описание объекта исследований и обоснование его типичности
Выводы по главе 2 59
Глава 3 Методика проведения исследований на опытно-производственном участке Тинки - II
3.1 Характеристика вермикомпоста и удобрительно- мелиорирующей смеси как удобрений длительного действия
3.2 Описание вариантов опыта и оборудование участка 64
3.3 Методики проведения исследований 67
3.4 Биометрические исследования сельскохозяйственных культур и определение качества продукции
Выводы по главе 3 73
Глава 4 Результаты исследования эффективности использования удобрительно-мелиорирующей смеси и вермикомпоста для повышения урожайности и качества растениеводческой продукции
4.1 Динамика урожайности многолетних трав для различных вариантов опыта
4.2 Изучение режима влажности почвы и методика назначения норм и сроков полива
4.3 Биометрические показатели и качество многолетних трав 88
Выводы по главе 4 99
Глава 5 Повышение плодородия деградированных длительно используемых почв выработанных торфяников Мещерской низменности
5.1 Изменение содержания гумуса в почве выработанных торфяников при использовании удобрений длительного действия
5.2 Прогноз запасов гумуса при внесении удобрений длительного действия
5.3 Эколого-экономическое обоснование применения вермикомпоста «Биогумус» и УМС для повышения почвенного плодородия
5.4 Рекомендации по повышению плодородия деградированных торфяных почв
Выводы по главе 5 118
Выводы 119
Рекомендации производству 121
Список использованных источников 122
Приложения 132
- Влияние многолетних трав на гумусовое состоянии почв
- Описание торфяных почв и почв выработанных торфяников
- Описание вариантов опыта и оборудование участка
- Изучение режима влажности почвы и методика назначения норм и сроков полива
Введение к работе
В комплексе мероприятий по повышению эффективности функционирования АПК России особое место уделяется проблеме повышения плодородия почв. В решениях Всемирной конференции ООН по окружающей среде (1992 г., Рио-де-Жанейро) отмечено, что рациональное использование почв должно стать центральным звеном государственной политики, поскольку состояние почв определяет судьбу человечества и оказывает решающее воздействие на окружающую среду.
В настоящее время по данным агрохимической службы в России 45% пашни характеризуется низким содержанием гумуса, 23% - дефицитом фосфора и 9% - калия. По прогнозам экспертов, вынос элементов питания из почвы может в несколько раз превысить их поступление с удобрениями. Поэтому в принятой правительством ФЦП «Сохранение и восстановление плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов как национального достояния России на 2007-2010 годы» и Госпрограмме «Развитие сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008-2012 годы» среди основных целей определена задача сохранения и воспроизводства природно-ресурсного потенциала и повышения плодородия почв. Составляющие повышения плодородия почв представляют собой совокупность самых разнообразных факторов, влияющих на потенциальную отдачу сельскохозяйственных угодий в виде урожая. Среди множества почвенных разностей особое место занимают торфяные почвы и почвы выработанных торфяников, выполняющие особую ландшафтно-гидрологическую и геохимическую функцию земли. В процессе длительного использования часть из них утратили свои природные свойства за счет интенсивной минерализации органического вещества и потеряли экологическую устойчивость. Предотвратить процесс деградации и повысить плодородие таких почв актуальная и свое временная задача.
Влияние многолетних трав на гумусовое состоянии почв
Для стабилизации плодородия почв, помимо внесения всех видов органических веществ, необходимым условием является использование биологических ресурсов, прежде всего бобовых культур и многолетних трав.
Изучая происхождение черноземов П.А. Костычев [51] пришел к выводу, что «накопление в почве органических веществ может зависеть только от растительных корней... поэтому образование чернозема - результат «сгнивания корней». Отсюда ученый сделал практическое заключение, что даже при обильном удобрении почвы органическими веществами количество их уменьшается, если на полях не возделываются травы.
Многолетние травы с корнями и послеуборочными остатками накапливают в почве втрое больше органического вещества, чем другие полевые культуры в сходных условиях выращивания. Однако количество оставляемого в почве органического вещества не одинаково, оно изменяется в зависимости от урожайности многолетних трав и ботанического состава травостоя. Чем больше условия выращивания отвечают требованиям соответствующих видов, и чем качественнее травостой, тем выше урожайность трав и количество оставляемого ими в почве органического вещества. Так, хороший клеверный травостой или смесь люцерны со злаковыми травами оставляет в почве 60-70 ц/га органического вещества, изре-женный, не получивший достаточного удобрения травостой - менее 20 ц/га. В последнем случае многолетние травы не могут значительно повлиять на почвенное плодородие. В среднем можно принять, что каждая тонна зеленой массы многолетних трав оставляет в почве такое количество органического вещества, которое по эффективности равно одной тонне навоза.
Высокоурожайный травостой многолетних трав, особенно с преобладанием бобовых, способствует поглощению элементов питания из более глубоких слоев почвы и обогащению ими пахотного горизонта, улучшению структуры почвы, подавляет сорную растительность, ограничивает распространение болезней и вредителей, является одним из лучших предшественников озимых зерновых. Поэтому повышение урожайности многолетних трав - одно из основных условий улучшения плодородия пашни, создания стабильной кормовой базы, увеличения валовых сборов зерновых и других сельскохозяйственных культур.
На кафедре земледелия Воронежского госагроуниверситета (ВГАУ) проводили исследования по влиянию многолетних трав на плодородие почвы в многофакторных стационарных опытах [34]. В первом опыте изучали воспроизводство плодородия почвы под люцерной в выводном поле (опыт заложен в 1986 г.). Во втором - исследовали приемы повышения плодородия черноземов (опыт заложен в 1986 г.). В третьем опыте установили продуктивность севооборотов с различным насыщением бобовыми культурами (опыт заложен в 1990 г.). В четвертом опыте определяли урожайность одновидовых посевов многолетних трав и травосмесей и их влияние на плодородие почвы (опыт заложен в 1994 г.).
Наибольшее распространение из многолетних трав в ЦЧЗ получили люцер на, эспарцет, кострец безостый, пырей. Эспарцет дает большую продуктивность в первый год использования с первого укоса. Второй укос обеспечивается во влажный год. Он хорошо растет и развивается в южных засушливых условиях, а также на почвах песчаных, смытых, бедных по плодородию.
Менее требователен к почвам донник, корневая система которого обладает способностью использовать элементы питания из труднорастворимых соединений, которые после разложения корневых и пожнивных остатков становятся доступными для других растений.
Люцерна - одна из наиболее продуктивных бобовых культур, обеспечивающих высокое производство протеина. Люцерну одновидовых посевов в зависимости от условий можно возделывать на одном месте 3-4 года и более. Развивая мощную корневую систему, она иссушает глубокие горизонты почвы, из-за чего при недостаточном количестве осадков ее урожаи с возрастом существенно падают.
Большое значение в Центральной черноземной зоне имеет люцерна. В исследованиях люцерну возделывали в выводном поле (опыт 1) и в севообороте (опыт 3) — одновидовой посев.
Растения люцерны в период вегетации формируют мощную корневую систему. Увеличение массы негумифицированного органического вещества идет высокими темпами в первый год. Нарастание массы (опыт 1) составило 6 т/га (перед посевом люцерны было 1,1 т/га негумифицированных остатков). На второй год темпы накопления растительных остатков снизились в 2 раза, прирост корневой массы составил 1,4-3,1 т/га, количество пожнивных остатков на поверхности почвы было на уровне первого года пользования. На третий и четвертый год (опыт 1) прирост корней продолжал замедляться и составил соответственно 2,7 и 1,3 т/га, при этом уменьшалась и масса пожнивных остатков. Если содержание растительных остатков после четвертого года пользования принять за 100 %, то после третьего года оно составит 94 %, второго — 86 %, первого - 67 %. Следовательно, увеличение содержания негумифицированного органического вещества в почве под люцерной идет высокими темпами в первые два года, то есть наибольшее влияние на плодородие чернозема люцерна оказыва ет в первые годы. Специалисты Научно-исследовательского института сельского хозяйства (НИИСХ) на своих опытных полях изучали севообороты с различным насыщением их многолетними бобовыми травами. Они установили, что увеличение многолетних трав с 25 % до 50 % повышает продуктивность зернотравяных севооборотов 1,8 раза. Наряду с этим в почве севооборота с большим насыщением многолетними бобовыми травами на конец первой ротации повышается содержание гу-миновых кислот. Отмечено, что увеличение содержания фосфора и калия в почве зависит от фона минерального питания. Наибольшее содержание этих элементов установлено при применении повышенных норм фосфорно-калийных удобрений, что связано с дефицитом этих элементов питания в ЦЧЗ [5].
На Полесской опытной станции мелиоративного земледелия и луговодства (Брестская обл., Беларусь) проводятся многолетние исследования на мелиорированных торфяных почвах по изучению влияния структуры посевных площадей на сработку органического вещества торфа [65]. Результаты более чем сорокалетнего-опыта показали, что в процессе длительного использования практически утрачены природные генетические свойства почвенных комплексов. Ежегодно органическое вещество почв убывает от 3,8 до 13,3 т/га в зависимости от севооборота. Однако, интенсивность деградационных процессов при возделывании многолетних трав в 3-4 раза ниже, чем в полевых севооборотах с зерновыми и пропашными культурами. Авторы считают целесообразным использование осушенных торфяных почв для создания высокопродуктивных сенокосов.
Описание торфяных почв и почв выработанных торфяников
По данным Государственного земельного кадастра по состоянию на 01.01.2000 г. земельный фонд Российской Федерации составил 1709,8 млн. га. Согласно этим данным болотами занято 140,8 млн. га, что составляет более 8 % территории страны. На землях сельскохозяйственного назначения они занимают 20,1 млн. га (14,2 %). Под заболоченными подразумеваются минеральные и торфяные почвы.
Типы торфяных месторождений РФ [50] В настоящее время разрабатывается только 1165,8 тыс. га территории месторождений, что составляет 7,5 % площади месторождений торфа. Основные торфяные залежи (около 74 %) перспективны для разведки и остаются в резерве. Доля мелиорированных торфяников очень мала - всего 66,3 тыс. га.
По данным Крештаповой В.Н. [53] площадь выработанных торфяников в России составляет около 2 млн. га. Для сравнения в Белоруссии почвы выработанных торфяников занимают 200 тыс. га, а по прогнозам на 2020 г. их площадь достигнет 370 тыс. га [75].
Долгое время почвы выработанных торфяников считались неплодородными, большая часть которых либо выгорала, либо вторично заболачивалась. В настоящее время в Московской области среди выработанных торфяников, занимающих площадь 100 тыс. га, только 15 тыс. га используются в сельском хозяйстве [53]. В Мещерской низменности в конце 80-х годов прошлого века насчитывалось 103 тыс. га (3,5 % площади Мещеры) выработанных торфяников, из которых только около 6 % использовалось в сельском хозяйстве [71].
В связи с сокращением числа торфяных месторождений с 2063 шт. в 1998 году до 905 шт. в 2000 году (по данным Геологического фонда) можно прогнозировать дальнейший рост площадей выработанных торфяников, а, следовательно, и необходимость их дальнейшего окультуривания.
В настоящее время сложились следующие основные направления использования выработанных торфяных месторождений: -сельскохозяйственное; -лесохозяйственное; -рыбохозяйственное; -разведение водоплавающей птицы; -создание охотничьих угодий и звероводческих хозяйств; -создание водоемов сельскохозяйственного назначения.
Наиболее перспективным и рациональным, по мнению автора, является вовлечение почв выработанных торфяников в сельскохозяйственное производ ство. Целью комплексной мелиорации при сельскохозяйственном освоении выработанных торфяников является создание благоприятного вводно-воздушного и питательного режима почв для получения высоких урожаев возделываемых культур при условии максимально возможного сохранения запасов органического углерода. Первоочередному вовлечению в, сельскохозяйственное производство подлежат выработанные площади торфяных месторождений низинного типа, сложенные торфами древесной и древесно-травяной групп с высокой степенью разложения.
Почвы выработанных торфяников характеризуются большей частью низким содержанием гумуса и доступных для растений питательных веществ и микроэлементов, а также легким механическим составом и, как правило, подстилаются песком или супесью. Агротехнические мероприятия должны регулировать питательный режим почвы и сохранность ее органического вещества.. Внесение органических и минеральных удобрений являетсяфешающим фактором в получении не только высоких урожаев возделываемых культур, но и в улучшении агротехнических свойств и сохранении устойчивости почв к деградации.
Плодородие почв выработанных торфяников в естественном состоянии низкое, обусловленное неблагоприятными водным, воздушным, тепловым и пищевым режимами в корнеобитаемом слое. Под влиянием мелиоративных мероприятий почвы выработанных торфяников весьма заметно изменяют агрофизические и агрохимические свойства. Более продуктивными являются торфяные почвы. Однако и они при длительном использовании претерпевают значительные изменения. В основном, эти изменения направлены на уменьшение влагоемкости, общей скважности, увеличение объемной массы, повышение степени разложения, зольности, доступных для растений форм фосфора и калия. В процессе сельскохозяйственного использования осушаемых земель наблюдается вынос азота и калия дренажным и поверхностным стоком, который достигает 5-10 % количества внесенных элементов с удобрениями [30]. Для оценки степени трансформации торфяных почв под воздействием сельскохозяйственного производства в 2003 г. сотрудниками Мещерского филиала ВНИИГиМ были выполнены разрезы торфяной почвы. Морфологическое строение торфяной пахотной маломощной и среднемощной почвы представлено описанием разрезов 1 и 2, заложенных соответственно в 3 и 4 км южнее ОПХ "Полково" [107]. Для сравнения морфологических признаков и химического состава торфяных почв с торфом неосушенного болота было выполнено описание почв по разрезу 3 на неосушенном низинном болоте с мощностью торфа 120 см.
Описание вариантов опыта и оборудование участка
Опыт был заложен по четырем вариантам в трехкратной повторности: -вариант 1 -контроль с орошением на фоне агротехнического фона минеральных удобрений; -вариант 2 - внесение удобрительно-мелиорирующей смеси дозой 10 т/га сухого вещества и полив почвы раствором ЭМ-культуры из расчета 10 м /га (на фоне минеральных удобрений); -вариант 3 - внесение в почву вермикомпоста «Биогумус» дозой 10 т/га сухого вещества (при влажности не более 8-10%) и дополнительная обработка почвы препаратом «Гумистар» из расчета 10м /га (на фоне минеральных удобрений) с орошением; -вариант 4 - контроль без орошения на фоне минеральных удобрений (заложен в 2007 году для оценки влияния орошения на урожайность многолетних трав). Норма внесения минеральных удобрений для создания агротехнического фона составила N - 90 кг д.в./га, Р - 60 кг д.в./га, К - 90 кг д.в./га в соответствии с рекомендациями ВНИИМЗ для сеяных пастбищ [48]. Площадь делянки составила 127,5 м (17 х 7,5 м). Опытно-производственный участок был оборудован двумя наблюдательными скважинами, которые позволяют отслеживать уровень грунтовых вод.
Для создания благоприятного водного режима в 2006 г. участок Тинки-П был оборудован комплектом ирригационным с переносными дождевальными крыльями (КИ-5) конструкции ВНПО «Радуга», предназначенного для полива технических, кормовых, овощных культур, сенокосов и пастбищ на торфяных, песчаных, супесчаных и среднесуглинистых почвах на площади до 5 га [93]. Актуальность использования дождевальной установки КИ-5 заключается в простоте и мобильности конструкции, возможности ее использования на участках различной конфигурации, а также отсутствии специальных требований к обслуживающему персоналу. Комплект КИ-5 состоит из следующих основных узлов: распределительного трубопровода, трех дождевальных крыльев со сред-неструйными аппаратами, соединительной и запорно-регулирующей арматуры и манометра.
Технические характеристики КИ-5: расход воды - 5,0 - 7,0 л/с; напор — до 52 м; средняя интенсивность дождя с учетом перекрытия - 9,2 - 12.8 мм/час; количество одновременно работающих дождевальных аппаратов - 6 шт., про-должительность полива с одной позиции при поливной норме 300 м /га - 3,1 -2,4 часа; площадь одновременного полива- 0,195 га.
Для проведения агрометеорологических наблюдений в ОПХ «Полково» оборудована автоматическая метеостанция METEOSCAN PRO 923 с выходом на компьютер (рис. 3.3), включающая термо-гигро-радиодатчик RSTO1510 и позволяющая: замерять количество выпавших осадков, сохранять эти значения за последний час, день, неделю и месяц; выполнять прогноз погоды на следующие сутки (солнечно, переменно, облачно, дождь, снег, буря); измерять атмосферное давление, отслеживать изменения атмосферного давления за 24 часа измерять температуру воздуха в помещении, на улице и в графическом виде просматривать динамику изменения температуры; оценивать относительную влажность воздуха в помещении w на улице, а также ее изменение; определять интенсивность ультрафиолетового излучения (УФИ) отображать направления ветра в виде компаса, оценивать среднюю мгновенная скорость ветра, максимальную скорость ветра за день, а также предупреждать о превышении средней или мгновенной скорости ветра определенных значений.
Определение влажности почвы. Влажность почвы на опытном поле определялась как термостатно-весовым, так и почвенным влагомером, модель 46909 (производство "TR di Turoni & c.Snc", Италия). Данная модель влагомера позволяет определять влажность почвы в относительных единицах на глубине до 25 см. Перевод относительных единиц влажности в % от абсолютно сухого веса почвы осуществляли по тарировочной кривой, которая была выведена на основе сравнения показаний прибора и влажности почвы, полученной термостатно - весовым методом.
Для расчета срока полива определили наименьшую влагоемкость (НВ) методом заливки площадок в поле. На выбранную площадку їм х 1м вбивалось железное кольцо площадью 1600 см и высотой 15 см на глубину 6 см. Затем кольцо и площадку заливали водой до полного насыщения. Кольцо обвязывали пленкой, и вся площадка накрывалась соломой. Через день в течение 3"х дней определяли влажность почвы. Установленная НВ составила 21% от абсолютно сухой почвы. Поливы назначали при снижении влажности до 16%, что составляло 76% НВ. Определение влажности в поле проводили в 5-ти точках по каждой делянке. На основании полученных данных определяли схему и продолжительность полива. Почвенные характеристики были определены в испытательной лаборатории по агрохимическому обслуживанию сельскохозяйственного производства ФГУ станции агрохимической службы «Подвязьевская» Рязанской области, аналитической лаборатории Мещерского филиала ВНИИГиМ и лаборатории Ярославского государственного педагогичеркого института.
Отбор почвенных образцов производился по методу "конверта" в соответствии с ГОСТом 28168-89. В точках, намеченных для взятия образцов, предварительно лопатой удалялись все растительные остатки. Точечные пробы отбирались буром на глубину пахотного слоя. Отобранные в течение дня пробы подсушивались в раскрытых мешочках в сухом проветриваемом помещении. Определение рН проводилось в соответствии с ГОСТом 26483-85, содержание подвижных форм фосфора и калия - по ГОСТу 26207-91, содержание общего азота - по Кьельдалю, аммонийного азота - по ГОСТу 26489-85, величина гидролитической кислотности - по ГОСТу 26212-91. Для определения углерода органических соединений почвы использовался метод Тюрина [24].
Снегомерная съемка на опытном участке Тинки-П проводилась по схеме конверта для оценки водопоступления в зимний период. Наблюдения за снежным покровом проводились с использованием переносной снегомерной рейки М-104, применяемой при маршрутных измерениях высоты снежного покрова. На одной стороне рейки нанесены деления в сантиметрах (цена деления 1 см). Начало деления шкалы совпадает с нижним обрезом наконечника. При измерении высоты снежного покрова рейку погружали вертикально в снег заостренным концом так, чтобы он достиг поверхности почвы. После этого отчитывали по шкале высоту снежного покрова с точностью до 1 см.
Плотность снега измерялась походным весовым снегомером ВС-43, состоящим из снегозаборника, весов и лопатки. Снегозаборник - металлический цилиндр, высота которого 60 см, площадь поперечного сечения 50 см2. Для измерения высоты снежного покрова, на цилиндр нанесена шкала в сантиметрах. Нулевое деление шкалы должно совпадать с нижней частью режущей кромки. Вдоль цилиндра свободно перемещалось кольцо с дужкой, за которую подвешивают снегозаборник к весам.
Изучение режима влажности почвы и методика назначения норм и сроков полива
Детальное изучение водного режима проводилось в течение вегетационного периода 2007 года. Водный режим почв формировался под влиянием естественного увлажнения осадками, подпитывания активного слоя грунтовыми водами, водоподачи на орошение, испарения влаги и транспирации ее сельскохозяйственными растениями. Комплексная характеристика водного режима на опытном участке показана на рисунке 4.3, где представлены режим водопоступ-ления и режим влажности почвы. На графике видно, что влажность почвы в вегетационный период поддерживалась в пределах НВ - 0,8НВ. В периоды, когда влажность почв снижалась ниже 0,8 НВ, назначались поливы. Фактичекая величина влажности почвы определялась с помощью влагомера.
В отдельные периоды времени наблюдается наложение поливов и осадков (3 декада июня и 2 декада июля), при этом влажность поднималась до 35 % и выше.
Основная задача при регулировании водно-воздушного режима заключается в поддержании почвенных влагозапасов в корнеобитаемом слое в заданных пределах, поэтому в работе рассмотрены некоторые способы расчета величины оросительных норм.
Оптимизации полива сельскохозяйственных культур посвящены труды классиков теории орошения; А.Н. Костякова, И.А. Шарова, С.Ф. Аверьянова, Б.А. Шумакова и др. Над проблемами усовершенствования режима орошения активно работали и продолжают работать ученые многих стран: А.И. Голованов, И;П. Кружилин, П.И. Коваленко, В.П. Остапчик, А.П. Лихацевич, А.И. Михальцевич, Н:В; Данильченко, Е.А. Стельмах, Ю:А. Мажайский, П.И. Пыле-нок, Н. Назарук, А. Хофман;и другие.
Биологический коэффициент (Кб) - это коэффициент пропорциональности между фактическим испарением воды с поля и испаряемостью. Биологические коэффициенты разных культур различны, что объясняется как индивидуальным характером биологических ритмов роста и развития растений, так и природно-хозяйственными различиями территории.
Многолетние культуры с глубокой корневой системой (более 1 м) 1,0 0,95 0,60 0,30 0,10 С целью оценки возможности использования вышеприведенных зависимостей были выполнены расчеты оросительной нормы для конкретного 2007 года. При расчетах упругость насыщенного пара принимается по данным «Физического энциклопедического словаря» в зависимости от температуры воздуха, а влажность воздуха - по фактическим данным метеостанции в ОПХ «Полково». Ввиду отсутствия на участке «Тинки - 2» поверхностного сброса выпавшие осадки учитывались в полном объеме. Значение коэффициента, учитывающего влияние грунтовых вод, определялось в соответствии с таблицей 4.7 и составило 0,28-0,38.
Результаты расчета оросительной нормы по фактическим климатическим данным в соответствии с формулами (4.1) - (4.5) для 2007 года, представлены в таблице 4.8. Расчетное значение оросительной нормы составило 1536 MJ/га, что на 15 % больше, чем фактическая оросительная норма, установленная на основе режима влажности почвы (1300 м /га). Данные по первому и второму расчетным периодам совпадают: в первый период орошение не потребовалось из-за значительных исходных влагозапасов, накопленных к началу вегетации в период снеготаяния, а во второй период расчетные и экспериментальные значения практически одинаковые (52 и 55 мм соответственно). В то же время по рекомендациям П.И. Пыленка [78] оросительная норма для Таблица 4.8 -Расчет оросительной нормы за 2007 год по данным фактических климатических значений на опытном участке Тинки-П
Водопотребление многолетних трав и оросительная норма (расчетная и фактическая) вегетационного периода 2007 г. Таким образом, можно утверждать, что обеспеченный водный режим на опытном участке Тинки-П является оптимальным для данных почвенно-климатических условий местности и возделываемых сельскохозяйственных культур, а рассмотренные в работе зависимости по расчету оросительной нормы и водопотребления многолетних трав могут быть использованы для рассматриваемого региона.
