Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 5
1.1 Современные направления в развитии мелиорации 5
1.2 Изменение состава и свойств почв под влиянием оросительных и полимерных мелиорации 8
2. Условия, схема опытов и методика проведения исследований 25
2.1 Условия почвообразования 25
2.2 Почвенный покров 30
2.3 Погодные условия в годы проведения опытов 32
2.4 Место проведения, схема опыта и методика проведения исследований . 34
2.5 Методы лабораторных исследований 37
3. Влияние полиакриламидного полимера на содержание органического вещества в черноземе выщелоченном и тепличном почвогрунте 38
4. Влияние полиакриламидного полимера В-415К на агрофизические свойства чернозема выщелоченного и тепличного почвогрунта 46
4.1 Структура почвы 46
4.2 Плотность почвы 61
4.3 Общая пористость и пористость аэрации 71
4.4 Зависимость водопоглощающей способности полиакриламидного полимера от состава, концентрации растворов солей и размера гранул полимера 83
4.5 Водоудерживающая способность и запасы продуктивной влаги 86
5. Изменение агрохимических свойств чернозема выщелоченного и тепличного почвогрунта под влиянием полимерной мелиорации 97
5.1 Пищевой режим 97
5.2 Физико-химические свойства 108
6. Влияние полиакриламидного полимера в-415К на урожайность сельскохозяйственных культур 120
7. Эколого-экономическая и экономическая эффективность 134
Выводы 141
Предложения производству 145
Литература 146
ния 159
- Изменение состава и свойств почв под влиянием оросительных и полимерных мелиорации
- Место проведения, схема опыта и методика проведения исследований
- Влияние полиакриламидного полимера на содержание органического вещества в черноземе выщелоченном и тепличном почвогрунте
- Зависимость водопоглощающей способности полиакриламидного полимера от состава, концентрации растворов солей и размера гранул полимера
Введение к работе
В последние годы внимание исследователей привлекает новый класс полимеров - полимерные гидрогели, которые набухают в воде, но не растворяются. Они обладают высокой водосорбирующей способностью, их можно применять в растениеводстве для улучшения влагообеспечения растений. Новое поколение таких материалов, как сильнонабухающие полимерные гидрогели (СПГ), способные аккумулировать при набухании до нескольких литров воды на 1 г полимера имеют большой интерес в науке. Это связано с перспективами применения СПГ в качестве влагоадсорберов для повышения влагоёмкости почвы и песков, а также как вспомогательного средства в некоторых прогрессивных технологиях - инкрустации семян гидрофильными оболочками, «жидкостном» высеве проращенных семян, гидропонике и т.д.
Основная идея применения СПГ в мелиорации почв состоит в том, что размещённый в почвенном слое гидрофильный сетчатый полимер обеспечивает удержание дополнительного запаса влаги, главным образом, за счёт снижения потерь на гравитационный сток и физическое испарение. Эту влагу эффективно используют растения, поскольку её основная часть лежит в области биологически доступных потенциалов (4,2>pF>2,0). В результате наблюдаются значительное пролонгирование влажности почвы, снижение поливных норм и расхода химикатов, рост биомассы, а в ряде случаев - принципиальная возможность выращивания растений в неблагоприятных условиях водного дефицита- В обширной литературе, посвященной СПГ, обсуждаются перспективы их использования для решения сельскохозяйственных, водных, экологических и социальных задач аридной зоны. В США, Японии, Египте, Судане, Франции производят и применяют эти материалы в коммерческом масштабе. Множится ассортимент СПГ, предлагаемых зарубежными фирмами. В нашей стране работы по СПГ были начаты в 1983-1984 гг. в ИХФ и ряде институтов почвенно-биологического профиля.
Цель исследований: целью настоящей работы являлось изучение влияния полиакриламидного полимера нового поколения В-415К, разработанного Саратовским НИИ «Биокатализ», на агромелиоративное состояние чернозема
выщелоченного, тепличного почвогрунта и урожайность сельскохозяйственных культур.
В задачи исследований входило:
Определить влияние полиакриламидного полимера на содержание гумуса в черноземе выщелоченном и органического вещества в тепличном поч-вогрунте.
Изучить влияние полимерной мелиорации на агрофизические свойства чернозема выщелоченного и тепличного почвогрунта.
Установить зависимость водопоглощающей способности, скорости и периода водопоглощения полиакриламидным полимером от состава, концентрации солевых растворов и размера гранул.
Установить влияние полиакриламидного полимера В-415К на пищевой режим чернозема выщелоченного и тепличного почвогрунта.
Выявить изменения физико-химических свойств чернозема выщелоченного и тепличного почвогрунта под влиянием полимерной мелиорации.
Определить влияние полиакриламидного полимера В-451К на урожайность сельскохозяйственных культур.
Рассчитать эколого-экономическую и экономическую эффективность использования в качестве мелиоранта отечественного полимера В-415К.
Научная новизна: Впервые в условиях лесостепи Среднего Поволжья на черноземах выщелоченных в зернотравяном севообороте и в условиях закрытого грунта изучено влияние водоудерживающего полиакриламидного полимера В-415К на агрохимические и агрофизические свойства чернозема выщелоченного, тепличного почвогрунта и урожайность сельскохозяйственных культур. Установлена водопоглощающая способность полимера в зависимости от концентрации и состава азотосодержащих солей. Определена скорость и период водопоглощения в зависимости от размера гранул полиакриламидного полимера В-415К.
Практическая значимость работы. Полученный экспериментальный материал может быть использован для разработки приемов полимерной мелиорации как в условиях богары для возделывания многолетних трав и зер-
новых культур, так и в условиях закрытого грунта для выращивания овощных культур.
Основные положения, выносимые на защиту:
Агротехническая, экологическая и экономическая целесообразность внесения полиакриламидного полимера В-415К под полевые культуры на выщелоченном черноземе и под овощные культуры в теплицах.
Дозы, сроки приемы и способы внесения полимера в чистом виде и в сочетание с минеральными удобрениями.
Продолжительность последствия полимера в севообороте на выщелоченных черноземах.
Изменение состава и свойств почв под влиянием оросительных и полимерных мелиорации
Почва - главное богатство любой страны, источник существования всего человечества, поэтому проблема сохранения и повышения почвенного плодородия имеет первостепенное значение. Благодаря своему плодородию почва из года в год, из века в век обеспечивает существование и воспроизводство растений, тем самым обуславливает существование и воспроизводство мира животных.
Под влиянием сельскохозяйственного использования и современных почвообразовательных процессов почвенный покров претерпевает динамичные и эволюционные изменения во времени. При этом развитие изменений почв осуществляется быстрее, чем естественным путем. Об этом свидетельствуют результаты исследований многих ученых в различных почвенно-климатических зонах страны (Адерихин П.Г., 1964; Адерихин П.Г., Щербаков А.Н., 1973; Гринченко А.М. и др., 1964, 1983; Ковда В.А., 1973; Синке-вич З.А., 1975; Фиапшев Б.Х., Шхацева С.Х., 1979).
Орошение неизбежно вызывает некоторые изменения компонентов биогеоценоза, что непосредственно отражается на свойствах почв и их плодородии (Разумова М.М., 1977; Панфилов В.П., Слесарев А.А., 1988; Шилер Г.Г., Галкин В.А. и др., 1995).
К орошению серых лесных и черноземных почв следует подходить с особой осторожностью. Опыт орошения их невелик, а имеющийся в недостаточной степени обобщен и, по мнению В.В. Егорова и Н.Г. Минашиной (1977), теорию изменения черноземов под влиянием орошения придется создавать почти заново. В связи с этим, исследование почвенных процессов, протекающих при орошении, должно дать не только количественную и качественную оценку их изменений, но и стать основой для прогнозирования характера этих процессов (Аникамова Е.М. и др., 1980; Барановская В.А., АзовцевВ.И., 1974).
По мнению Ганжара Н.Ф. (1988), Н.Н. Лысиковой и И.В. Ржевской (1975), наиболее показательным критерием изменения в направленности почвообразовательных процессов под влиянием длительного орошения является изменение содержания гумуса в почве и его распределение в почвенном профиле.
Параллельно и неразрывно с исследованиями гумуса почвы должно проводиться изучение запасов азота, так как почти весь азот почвы (97-98%) входит в состав гумуса (Тюрин И.В. 1963, 1965; Щербаков А.П., 1979). Имеющиеся аналитические данные о влиянии длительного орошения различных типов почв на содержание в них азота и гумуса довольно противоречивы.
Д.С. Орлов и др. (1980) отмечают, что дополнительное увлажнение почв по сравнению с природной обстановкой, создает благоприятные условия для накопления растительной массы. Более мощная растительность на орошаемых полях, особенно в севооборотах с многолетними травами, обеспечивает увеличение количества поступающих в почву растительных остатков. Это способствует росту запасов гумуса.
Орошение черноземных почв в условиях Воронежской области оказало положительное влияние на содержание гумуса. Например, в опытах П.Г. Адерихина и ЕЛ. Тяховой (1959); Б.П. Ахтырцева и И.А. Лепилина (1979) на орошаемых участках наметилась тенденция увеличения содержания гумуса по сравнению с неорошаемыми.
Оптимальные условия увлажнения и благоприятный температурный режим черноземов в районах орошения, а также наличие свежего растительного материала способствует интенсивной минерализации органического вещества микрофлорой почвы, таким образом, запасы гумуса в почве могут снижаться (Азовцев В.И., 1971; Гоголев И.Н. и др., 1973; Денисов Е.П., Кузин Е.Н., и др., 1999).
В обобщенной сводке, сделанной И.П. Айдаровым и др. (1976), потери гумуса из полуметрового слоя черноземных почв степной зоны страны при длительном орошении составляет от 7 до 51%.
Исследования Д.С. Орлова (1980) позволили сделать очень важный вывод, что по мере увеличения срока орошения содержание гумуса постепенно снижается. Сначала в верхних слоях, а затем в нижних горизонтах. A.P. Джиндия (1974), один из немногих авторов, указывает на увеличение содержания общего азота в орошаемой почве по сравнению с неорошаемой, что связано с активизацией микробиологических процессов, способствующих накоплению азота. За пятнадцатилетний период орошения содержание валового азота в пахотном слое увеличилось на 23,8%.
Таким образом, влияние длительного орошения на содержание гумуса и азота в почве изучено недостаточно и по этому вопросу нет единого мнения. В связи с этим изучение закономерностей динамики почвенного гумуса и азота при длительном орошении надо расширять и углублять.
При орошении обыкновенных черноземов отмечено уменьшение подвижного фосфора, о чем свидетельствуют данные работ В.Д. Голубев (1987), Г.К. Льгова, П.Е. Простакова (Золотухин В.И. и др., 1973; Простаков П.Е., 1958). А дальнейшими исследованиями Б.Х. Фиапшева (1970) установлено, что при двадцатилетнем орошении валовое содержание фосфора уменьшилось на 8%, а содержание обменного калия повысилось на 70%.
Под влиянием длительного орошения существенные изменения претерпевают физико-химические и физические свойства почв.
По данным А.М. Голубцова (1962), двадцатилетнее орошение на Кубани не изменяло суммы обменных оснований и реакцию среды карбонатных черноземов. Аналогичные результаты получены на темно-каштановых почвах юга Украины, орошавшихся с 1932 года, тогда как на черноземах Кировоградской области сумма обменных оснований несколько снизилась.
Исследования, проведенные Суюндуковым Я.Т. (1985) на обыкновенных черноземах, показали, что содержание ионов Са+ в почвенно-поглощающем комплексе при орошении уменьшается. Это связано с увеличением щелочности почвы, обусловленной повышенным значением рН поливной воды. При этом в верхних горизонтах разница достигает 0,9-1,3 единицы рН. Уменьшение содержания кальция в ППК приводит к увеличению подвижности гумуса и некоторой интенсификации процессов в диспергации илистых частиц.
О потере органического вещества на черноземах при орошении в Поволжье и на Северном Кавказе, указывают Л.Л. Шимов, И.И. Карманов и Д.Н. Дурманов (1987). Под влиянием поливов широко распространяются процессы обеднения почв углекислым и обменным кальцием.
Место проведения, схема опыта и методика проведения исследований
Почвенный покров Пензенской области в целом можно определить как вполне характерный для Среднерусской почвенно-географической провинции лесостепной зоны. Основной ландшафтной особенностью лесостепей по пространственному чередованию в них лесных и степных формаций - главными "строителями" почвенного покрова являются почвы двух генетических типов: серые лесные и черноземы с преобладанием оподзоленных, выщелоченных и типичных черноземов.
Кроме этих автоморфных зональных типов большую площадь занимают полугидроморфные и гидроморфные почвы особого пойменно-эллювиального ряда. Малыми площадями встречаются некоторые иные почвы.
Основная площадь земель занята черноземными почвами - 75,3% всей земельной площади. Из них около 70% распахано. Серые, темно-серые и светло-серые лесные почвы, развивающиеся на мелкоземлистых отложениях, занимают 20,0%. Лугово-черноземные и луговые почвы, близкие по своему природному плодородию к черноземам занимают 4%. Прочие почвы занимают 0,7% (К.А. Кузнецов и др., 1966). Смытые (эродированные) почвы вместе с почвами овражно-балочной сети составляют более 20% площади. Территория Пензенской области по признаку преобладающих почвенных разностей подразделяется на четыре агропочвенных района.
Объектом исследований в опыте 1 являлся чернозем выщелоченный среднегумусный среднемощный тяжелосуглинистого гранулометрического состава, наиболее широко представленный в области. Содержание гумуса в пахотном слое колеблется от 6,64 до 6,65%. Вниз по профилю почвы количество гумуса уменьшается постепенно.
Реакция почвенного раствора в верхнем слое слабокислая. Сумма обменных оснований высокая - от 37,4 до 37,6 мг-экв на 100 г почвы с явным преобладанием кальция. Такой поглощающий комплекс предохраняет почву от разрушения ее коллоидной части и гумуса и способствует образованию водопрочной структуры. Эти почвы содержат довольно много общего азота, количество его в пахотном слое колеблется от 0,36 до 0,54%. Большая часть азота находится в почвах в недоступной для растений форме. Подвижные формы азота переходят в доступные для растений соединения в результате микробиологических процессов, которые проходят при довольно высокой температуре и увлажнении почвы. Этим обстоятельством объясняется то, что минеральные азотные удобрения оказывают эффективное воздействие на яровые культуры и озимые хлеба, особенно в ранневесенний период.
Количество подвижных форм фосфора в пахотном слое от 84,1 до 84,6 мг/кг почвы, что соответствует среднему содержанию. Содержание обменного калия изменилось в пахотном горизонте от 158,2 до 158,6 мг/кг почвы. Объектом исследования в опыте 2 является тепличный почвогрунт. Содержание органического вещества в пахотном горизонте колебалось от 21,64 до 22,5%. Реакция почвенного раствора близкая к нейтральной (рНсол. - 6,2-6,6 ед.). Сумма обменных оснований высока - от 44,0 до 45,9 мг-экв на 100 г почвы. Содержание гидролизуемого азота 202,1-181,7, фосфора 71,9-76,2, калия 75,7-79,3 мг/кг почвогрунта.
Влияние полиакриламидного полимера на содержание органического вещества в черноземе выщелоченном и тепличном почвогрунте
Содержание и запасы гумуса традиционно служат основным критерием оценки почвенного плодородия. Почвенный гумус является основной экологической стабильности почв. Оказывая положительное влияние на образование водопрочной структуры почв, тем самым гумус косвенно участвуют в улучшении водного и воздушного режимов почв, а также снижает их плотность. Гумус способствует усилению биофильности и экологической резистентности почв как компонента биосферы. Органическое вещество в целом и отдельные его группы разносторонне влияют на агрономические свойства и режимы почв. Циклически процессы синтеза и трансформации органического вещества в агроэкосистеме лежат в основе биогеохимических круговоротов всех биофильных элементов. В свою очередь, эти циклические процессы выполняют важную роль в воспроизводстве свойств почвы, лежащих в основе ее плодородия. Гумус почв является энергетической основой биологических процессов, одновременно обладает свойствами физиологически активных веществ, регулирующих ростовые процессы и питание растений (Кирюшин В.И., 1993). Гумус является основой регулирования водно-физических свойств почвы, что очень важно при возрастающих антропогенных нагрузках. Он обеспечивает частичную защиту растений и человека от действия пестицидов и тяжелых металлов (Кирюшин В.И., Фокин А.Д и др.1993; Фокин А.Д., 1989). При сложившемся относительно низком уровне интенсификации земледелия, при умеренном применении удобрений или отсутствии последних, почвенный гумус остается основным источником элементов питания растений.
Поддержание запасов органического вещества в почвах означает со хранение ее энергетического потенциала. Поэтому стабилизация и увеличе- ние запасов гумуса в почве - важная проблема современного земледелия. Как показали наши исследования содержание гумуса, по истечению трех лет после посева люцерны, на контрольном варианте увеличилось на 0,09% по отношению к исходным данным (опыт 1). На варианте с использованием полиакриламидного полимера В-415К в дозе 0,1% от массы почвы содержание гумуса в пахотном горизонте увели чилось на 0,25%, а при использовании полимера в дозе 0,05% - на 0,16%. Разница с контрольным вариантом составила: в первом случае 0,17, а во вто- . ром случае - 0,08% (табл. 1). Существенное увеличение содержания гумуса в пахотном горизонте по полимерному фону можно связать с созданием более мощной корневой системы люцерной именно в пахотном горизонте в условиях благоприятного режима влажности почвы создаваемого за счет накопления влаги полиакри-ламидным полимером. Математический анализ экспериментальных данных влияния полимера на содержание гумуса в зернотравяном севообороте показал тесную связь между накоплением гумуса в черноземе выщелоченном (у) и дозой полиак-риламидного полимера (х). Коэффициент корреляции равнялся 0,99. Уравнение регрессии имело следующий вид: у = 6,77612 - 6,208х + 0,08х2 - 0,002х3 (рис 2). Обработка семян люцерны полиакриламидным полимером не оказало существенного влияния на накопление гумуса в пахотном горизонте по отношению к контрольному варианту. Максимальное содержание гумуса на всех вариантах опыта было отмечено в 1999 году после уборки озимой пшеницы, которая возделывалась по пласту люцерны.
На контрольном варианте содержание гумуса достигло 6,77%, увеличение по отношению к исходному составило 0,12%. На вариантах с полиакриламидным полимером содержание гумуса в пахотном горизонте варьировало в интервале от 6,84 до 6,96%, при максимальном содержании на варианте с использованием полимера в дозе 0,1% от массы почвы (6,95-6,96%). Увеличение по отношению к исходному составило 0,19-0,32% соответственно. Разница с контролем варьировала, в зависимости от доз полимера, в интервале от 0,08 до 0,20%. В последующие годы исследований (2000, 2001 г.г.), на всех вариантах опыта, прослеживалась четкая тенденция к уменьшению содержания гумуса в пахотном горизонте за счет минерализации наиболее подвижных его форм. Однако по завершению опытов содержание гумуса на вариантах с полимером было значительно выше исходных значений, тогда как на контрольном варианте его содержание приблизилось к исходному. Наиболее целесообразным подходом к выявлению агрономической ценности гумуса и его составляющих можно считать разделение всех орга- нических соединений на две большие части: группу консервативных, устойчивых веществ и группу лабильных соединений. Первая группа объединяет те вещества, которые характеризуют типовые признаки почв, формирующихся в течение длительного времени и сохраняющихся в вековых циклах. Это, прежде всего, гуминовые кислоты, гуматы и другие органо-минеральные соединения. С их содержанием, составом и свойствами связаны морфологические признаки, агрофизические, агрохимические и физико-химические свойства почв. Все эти вещества в малой степени участвуют в питании растений, но создают для них благоприятную среду. Положительная агрономическая роль консервативных составляющих почвенного гумуса наиболее наглядно проявляется в экстремальных ситуациях: в засушливые периоды, при химическом загрязнении почв. Поэтому наиболее устойчивым оказывается земледелие на почвах с высоким содержанием гумуса.
Зависимость водопоглощающей способности полиакриламидного полимера от состава, концентрации растворов солей и размера гранул полимера
Помимо своей способности функционировать в качестве водного резервуара полиакриламидный сополимер, может одновременно сохранять и отдавать растениям питательные вещества, растворенные в воде. Широкие исследования по влиянию полиакриламидного сополимера на питание растений проводились в исследовательском центре Харроу (Harrow), расположенном в г. Виндзор (Windsor), провинция Детройт, Канада. Установлено, что помимо накопления воды в почве, полиакриламидный сополимер способствует продвижению элементов питания из почвы в корневую систему растений. Однако, как свидетельствуют результаты исследований зарубежных авторов, водопоглощающая способность полимеров может снижаться от наличия солей и их концентрации в воде. Например, водопоглощающая способность полимера AQUASORB PR 3005 существенно снижается при наличии в водном растворе железа, фосфатов и карбонатов.
В связи с этим целью исследований являлось выявление влияния состава, и концентрации солей на водопоглощающую способность полиакриламидного полимера марки В-415К. Для решения поставленного вопроса нами была проведена серия лабораторных опытов. В эксперименте использовались следующие соли: NH4NO3; Ca(N03)2; NH4CI; (NHO2SO4; NaN03; KCl, а также мочевина - CO(NH2)2. Концентрации данных солей и мочевины варьировали от 0,2 до 1 г/л, с интервалом 0,2 г/л. Соли растворяли в 200 мл дистиллированной воды, затем в раствор добавлялся один грамм полиакриламидного полимера. Насыщение полимера раствором соли проводились в течение 4 часов, т.е. до полного прекращения водопоглощения. Нами было установлено, что растворы электролитов значительно снижают водопоглощающую способность полиакриламидного полимера.
Практически все соли построенные по ионному типу одинаково уменьшали водопоглощение полимером, независимо от типа и зарядности катиона и аниона. Коэффициент водопоглощения в данном случае определялся только концентрацией электролита. В зависимости от концентрации электролита коэффициент водопоглощения варьировал от 0,75 до 0,47. Данный факт обусловлен типичным разрушением электролитами коллоидной ге-левой системы. В отличии от солей электролитов, внесенные в раствор вещества построенные по ковалентному типу (мочевина) практически не вызывают уменьшение водопоглощающей способности полиакриламидного полимера марки В-415К. Коэффициент поглощения полимером раствора мочевины, независимо от его концентрации, составил 0,9 (табл. 13).
Результаты исследований дают право на мысль о том, что питательные вещества лучше всего вводить в состав полимера в форме соединений не ионного типа, а может быть в виде комплексных соединений (хелатов), которые распадаются на ионы крайне затруднительно и не могут влиять на снижение водопоглощающей способности полиакриламидного сополимера.
Полиакриламидный полимер марки В-415К производится Саратовским НИИ "Биокатализ" в виде порошка или в виде гранул размером от 0,5 до 5 мм. При взаимодействии с водой полимер гидротирует и превращается в прозрачную гидрогель. Тем, не менее, каждая гранула остается автономной и поглощает воды, превышающее ее массу в 200 раз, что приводит к 200-кратному увеличению ее размера. В лабораторных опытах использовались гранулы полиакриламидного полимера размером: 0,5-1; 1-2; 2-3; 3-5 мм. Гранулы насыщались дистиллированной водой. Исследованиями установлено, что скорость и период насыщения полимера обратнопропорциональны размерам гранул. В первые десять минут насыщения количество поглощенной воды одним граммом полимера в зависимости от размера гранул колебалось от 30 до 150 мл. Максимальное количество воды поглотили гранулы размером от 0,5 до 1 мм (150 мл). Скорость водопоглощения у данной фракции составила 15 мл/мин. Количество поглощенной воды у самой крупной фракции гранул полимера (3-5 мм) за первые 10 мин. составило 30 мл, а скорость насыщения 3 мл/мин (табл. 14).
