Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 7-41
1.1. Эффективность удобрений в севооборотах 7-17
1.2. Роль известкования в воспроизводстве и регулировании плодородия почвы 17-21
1.3. Влияние элементов системы земледелия на засоренность посевов полевых культур 21 -26
1.4. Микробиологическая активность почвы при применении удобрений, известкования, гербицидов и севооборота 26-33
1.5. Агроэкологическая оценка средств химизации в современном земледелии 34-41
Глава 2. Цель, задачи, условия и методика проведения исследований 42-52
2.1. Цель и задачи исследований 42
2.2. Схема опыта, почвенные условия и методика проведения исследований 42-49
2.3. Метеорологические условия проведения исследований 49-52
Глава 3. Влияние длительного применения удобрений, гербицидов и известкования на биологические показатели плодородия дерново-подзолистой почвы и засоренность посевов 53-94
3.1. Содержание гумуса 53-58
3.2. Численность микроорганизмов в пахотном слое почвы 58-79
3.3. Целлюлозоразлагающая активность микроорганизмов 79-84
3.4. Фитотоксичность почвы 84-91
3.5. Засоренность посевов 92-94
Глава 4. Содержание тяжелых металлов и остаточных количеств гербицидов в почве в зависимости от удобрений, известкования и севооборота 95-120
4.1. Содержание тяжелых металлов в пахотном слое почвы 95-109
4.2. Динамика разложения хлорсульфурона в почве 110-119
4.3. Эколого-токсикологическая нагрузка гербицидов на агрофитоценоз 119-120
Глава 5. Урожайность полевых культур, экономическая и энергетическая эффективность длительного применения удобрений, известкования и севооборота ... 121-133
5.1. Урожайность полевых культур 121-126
5.2. Экономическая и энергетическая эффективность 126-133
Выводы 134-136
Предложения производству 136
Литература 137-163
- Влияние элементов системы земледелия на засоренность посевов полевых культур
- Схема опыта, почвенные условия и методика проведения исследований
- Целлюлозоразлагающая активность микроорганизмов
- Динамика разложения хлорсульфурона в почве
Введение к работе
Стратегия адаптивно-ландшафтного земледелия в XXI веке будет слагаться из двух основных направлений - интенсификации и экологизации. Главная цель остается прежней - обеспечить удовлетворение потребностей населения в продуктах питания, стабилизировать продуктивность земледелия, обеспечить продовольственную безопасность страны и занять достойное место на мировом продовольственном рынке к 2025 году (В.Ф. Ладонин, 1998).
Агроклиматические условия Нечерноземной зоны Российской Федерации позволяют выращивать здесь почти все культуры умеренного пояса. Вместе с тем, значительная часть земель сельскохозяйственного назначения представлена дерново-подзолистыми почвами с низким естественным плодородием, поэтому большое значение приобретает разработка агротехнологий, обеспечивающих на данных почвах стабильные урожаи с хорошим качеством продукции.
Среди факторов, повышающих урожайность зерновых культур, в этой зоне на долю минеральных и органических удобрений приходится 65-75%, а на подзолистых почвах доля удобрений возрастает до 80-85% (А.И. Степанов, 1984). Сегодня совершенно очевидно, что повышение продуктивности земледелия основано на его адаптивной интенсификации, одним из важнейших направлений которой является комплексная химизация, включающая известкование кислых почв, применение органических и минеральных удобрений, высокоэффективных средств защиты растений. Однако, в целом ряде случаев, особенно при нарушении регламентов применения, средства химизации не дают ожидаемых результатов. С увеличением доз вносимых удобрений без применения гербицидов повышается масса наиболее вредоносных сорняков, возрастает степень поражаемости сельскохозяйственных культур вредителями и болезнями, наблюдается полегание сельскохозяйственных культур (В.Ф. Ладонин, 1998).
Сегодня совершенно очевидно, что научно обоснованные агротехнологий могут быть сформированы только на основе рационального сочетания всех факторов, определяющих рост и развитие сельскохозяйственных культур, формирование урожая и его качества. Развитие парадигмы адаптивно-ландшафтного земледелия с учетом комплекса почвенно-климатических условий, стабилизации фитосанитарного состояния агроценозов, оптимального режима питания, влагообеспеченности почвы и комплекса других факторов позволит обеспечить гибкие экологически безопасные технологии возделывания сельскохозяйственных культур со стабильной продуктивностью агроценозов. При этом, с одной стороны, будет в большей степени реализована потенциальная продуктивность культурных растений, с другой - обеспечено снижение энергетических и материально-технических затрат на производство сельскохозяйственной продукции и восстановление экологического потенциала агроландшафтов.
Высокая эффективность комплексного применения удобрений и пестицидов установлена в исследованиях многих ученых (Н.З. Милащенко, 1986, 2001; В.А. Захаренко, И.А. Ртищева, 1992; В.Ф. Ладонин, A.M. Алиев, В.А. Валькова, 1992; Ю.П. Жуков, Т.И. Шатилова, В.Т. Семко, 1992; Н.И. Цимбалист, 1993; В.Ф. Ладонин, 1998,2001; A.M. Алиев и др., 2001). Вместе с тем, аг-роэкологические особенности длительного систематического использования средств химизации земледелия в агроценозах, в частности, применительно к севооборотам и бессменным посевам полевых культур, изучены недостаточно.
Основной целью наших исследований являлась оценка влияния длительного применения удобрений, гербицидов и известкования при бессменном возделывании полевых культур и в севообороте на агроэкологические показатели плодородия дерново-подзолистой почвы и урожайность полевых культур.
Автор выражает искреннюю благодарность за большую помощь при подготовке диссертационной работы научному руководителю, члену-корреспонденту РАСХН, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Захаренко А.В., доктору сельскохозяйственных наук, профессору Лошакову В.Г., доктору сельскохозяйственных наук, профессору Дорожкиной Л.А., доктору сельскохозяйственных наук, профессору Хохлову Н.Ф., доктору биологических наук, профессору Ницэ Л.К., члену-корреспонденту РАСХН, доктору биологических наук, заведующему отделом гербологии ВНИИФитопатологии Спиридонову Ю.Я., старшему научному сотруднику отдела гербологии ВНИИФитопатологии Лариной Г.Е., кандидату сельскохозяйственных наук, профессору Сафонову А.Ф., кандидату сельскохозяйственных наук Золотареву М.А., кандидату сельскохозяйственных наук, доценту Усманову P.P., кандидату сельскохозяйственных наук, доценту Кирюшину Б.Д., всему коллективу кафедры земледелия и методики опытного дела.
Влияние элементов системы земледелия на засоренность посевов полевых культур
Как в нашей стране, так и за рубежом доказано, что эффективность любой из существующих ныне систем земледелия невозможна без научно организованных систем удобрений и защиты растений: важных факторов интенсификации. Регулируя уровень воздействия сорного компонента на культуру до экономического порога вредоносности, необходимо учитывать, что для эффективного управления сорным компонентом агрофитоценоза в системе земледелия важно знать закономерности изменения его количественных и качественных параметров под влиянием систематического применения минеральных и органических удобрений в севооборотах. Это позволит уточнить комплекс регулирующих мероприятий, направленных на достижение соответствия фактических параметров сорного компонента агрофитоценоза оп тимальным параметрам моделей фитосанитарного состояния посевов и почвы (А.И. Пупонин, А.В. Захаренко, 1998).
Известно, что применение удобрений зачастую не дает желаемого эффекта из-за высокой засоренности полей. Потребляя питательные вещества удобрений, сорняки снижают коэффициент их использования культурными растениями. По отзывчивости на минеральные удобрения различают нитро-фильные сорняки, растущие на богатых нитратами и другими легкоусваевы-ми формами азота почвах; сорняки фосфатофилы, поглощающие из почвы большое количество доступного фосфора; группы сорняков калиефилов, отзывчивых на калийные удобрения (И.И. Синягин, 1966; С.А. Котт, 1969).
В литературе имеются неоднозначные мнения по вопросу взаимного влияния культурных и сорных растений при различном минеральном питании. Одни авторы (А. Крафтс, У. Роббинс, 1964; В.Д. Панников, 1966; М.Я. Березовский, Г.И. Баздырев, 1972; В.В. Турчин, Л.А. Матюха, 1972; Г.И. Баздырев и др., 1980; СИ. Вольфкович, 1982; СМ. Лукин, 1983; М.П. Беляев, Г.П. Банковский, В.Ф. Ладонин, 1985; А.Ф. Сафонов, В.И. Лабунский, 2001; L. Moody, 1981) утверждают, что конкурентная способность культурных растений по отношению к сорнякам с увеличением фона питания возрастает, другие же (Б.А. Доспехов, 1967; Р. Уоррен, А. Джонсон, 1968; И.И. Синягин, 1970; R.D. Gruen-hagen, J.D. Nalewaja, 1969; J. Alkamper, 1976) считают, что она ослабевает.
Одни авторы объясняют эти различия биологическими особенностями культур и сорняков и их отзывчивостью на разные виды удобрений (М.Я. Березовский, Г.И. Баздырев, 1972), другие - изреженностью посевов вследствие неблагоприятных условий перезимовки озимых культур (Г.И. Баздырев, Б.А. Смирнов, 1975), третьи - соотношением в агрофитоценозе культур и сорняков (А. Крафтс, У. Роббинс, 1964; 3. Балюневичуте, 1972). При изреженном травостое или замедленном росте культурных растений сорняки подавляют их, и наоборот.
Большинство видов сорных растений способны удовлетворительно переносить низкое содержание в почве подвижного фосфора, однако при внесении фосфорных удобрений может усилиться засоренность осотом полевым, крестовником обыкновенным и ясноткой пурпурной. (А.В. Захаренко, 2000).
Результаты отдельных исследований показали, что такой сорняк, как марь белая, положительно реагирует на внесение всех видов удобрений, особенно азотных, редька дикая лучше произрастает при внесении фосфорных и калийных удобрений и меньше - азотных, горец шероховатый слабо реагирует на фосфорные и калийные удобрения и отрицательно - на внесение азотных, больше на удобренном фоне прорастали семена пастушьей сумки, горчицы обыкновенной, меньше - семена ежовника, куриного проса, мятлика обыкновенного (И.И. Синягин, 1966, 1980; Г.С. Груздев, В.А. Сатаров, 1967; С.А. Котт, 1969; Б.П. Боинчан, 1978; Я.И. Монствилайте, 1980).
Следует подчеркнуть, что систематическое известкование изменяет экологические условия роста и развития сорняков, их видовой состав и обилие в посевах полевых культур (А.И. Мальцев, 1962; Н.С. Авдонина, 1976; К.П. Ладенов, В.К. Довбан, 1979; И.И. Синягин, 1980; А.В. Захаренко, 1996; J. Weber, 1987). Есть данные, что известкование увеличивает количество сорняков в посевах в 1,5-2,0 раза и расширяет их видовой состав (A.M. Туликов, 1982).
Снижение кислой реакции почвы способствовало изменению численности отдельных видов сорных растений: последовательно уменьшалась численность торицы полевой, фиалки полевой, редьки дикой, горцев вьюнкового и шероховатого, но увеличивалось количество зведчатки средней, мари белой (С. Чюбяркис, Д. Чюберкене, 2000).
В современном земледелии севооборот является обязательным мероприятием всех экологически сбалансированных направлений развития сельскохозяйственного производства. Он формирует основу механизма саморегуляции агроэкосистемы. Поэтому учение о севообороте приобретает сейчас биотехнологический и фитоценотический смысл (A.M. Лыков, 1992)
Схема опыта, почвенные условия и методика проведения исследований
Исследования проводились в 2002-2004гг. в длительном полевом опыте МСХА, заложенном в 1912 году профессором А.Г. Дояренко. Почва стационарного опыта дерново-средне и слабоподзолистая, старопахотная (более 200 лет под пашней), кислая и заплывающая (по классификации ФАО-Podsolluvi-sol), по гранулометрическому составу - легкий крупнопылевато-песчаный суглинок. Земельный участок опыта площадью 1,5 га с уклоном в 1 на северо-запад расположен на южной окраине Клинско-Дмитровской возвышенности. По территориальному рельефу участок представляет собой моренную равнину, которая является центральной частью водораздела между реками Москвой и Яузой и возвышается над уровнем реки Москвы на 60 м и над уровнем моря - 162 м. Среднемноголетнее количество осадков - около 600 мм/год, из них около 300 мм за май - август. Грунтовые воды (верховодка) поднимаются до 2,0 - 2,5 м к поверхности почвы.
Размещение культур в 2002 г. приведено на рис.1. Норма внесения удобрений и суммарное их количество за период с 1912 по 2004гг. представлены в табл. 1.
Основные положения методики и условия проведения длительного опыта ТСХА изложены в монографии «Длительному полевому опыту ТСХА 90 лет: итоги научных исследований» (А.Ф. Сафонов, 2002).
Технология возделывания озимой ржи и льна-долгунца общепринятая для Нечерноземной зоны.
Для проведения аналитических исследований нами были отобраны почвенные образцы из пахотного слоя 0-20см дерново-подзолистой почвы со следующих полей длительного опыта МСХА: пар бессменный, озимая рожь бессменно и в севообороте, лен бессменно и в севообороте в вариантах опыта: без удобрений, NPK и NPK+навоз без внесения извести и по известкованному фону.
При проведении лабораторных и полевых исследований использовали принятые в научных учреждениях методики. В 2002-2003гг. обработка льна-долгунца была проведена гербицидом ленок при норме расхода 7 г/га в фазу «елочки» (при высоте 8-12 см).
Определение засоренности посевов проводили за сутки до обработки гербицидом и через 30 дней после обработки. Сорняки учитывали весовым методом на 4 стационарных площадках (50x50 см), расположенных в каждом варианте опыта.
В бессменных посевах льна-долгунца и в севообороте изучали поведение гербицида ленок (д.в. хлорсульфурон, 79%) внесенного в дозе 7 г/га по препарату. Определяли содержание остаточных количеств хлорсульфурона в профиле дерново-подзолистой почвы и влияние на скорость его распада известкования, минеральных и органических удобрений. На основе использования метода биоиндикации в вегетационных опытах, проводимых в камерах лаборатории искусственного климата (ЛИК) ВНИИФитопатологии [на тест-растениях - горчице белой (Sinapis alba L.) и редьке дикой (R. raphanistrum L.)] устанавливали уровень фитотоксичности почвы в разных вариантах опыта до и после уборки урожая льна. В контроле (без гербицида) использовали почву с изолированного участка целины, расположенного рядом с опытным полем. Фитотоксичность почвы определяли по формуле: где I0 - ингибирование роста биомассы растения-индикатора, (в % к контролю); т0 и тк - масса надземной части растений, соответственно, в опытном и контрольном вариантах, (г).
Отбор проб почвы производился в соответствии с "Унифицированными правилами отбора проб сельскохозяйственной продукции, продуктов питания, объектов окружающей среды для определения микроколичеств пестицидов", утвержденными Минздравом СССР 21.08.79 г. № 2051-79. В соответствии с "Руководством по поиску и отбору гербицидов ..., 1991 " в сроки через 1, 7, 15, 30, 140 сут после применения гербицида образцы отбирали по горизонтам почвы (0-5, 5-10, 10-15, 15-20 см) с помощью бура. Содержание хлорсульфурона в почве определяли на хроматографе "Beckman System Gold". (Методы определения микроколичеств пестицидов, 1992).
Расчет периода 50 и 90 % разложения исходного количества гербицида в почве (Т5о и Т9о) проводили по формуле: Т _ HN) 150,90 » где к - константа скорости разложения действующего вещества гербицида в почве или воде, сут"1; N - константа равная 0,5 для показателя Т5о и 0,1 -для Т9о- Показатель к рассчитывали по экспоненциальной зависимости: С, = С0-ехр(-кТ(), где С0, Ct - соответственно исходное и остаточное количество гербицида в образце на момент времени ТІ , мг/кг.
Целлюлозоразлагающая активность микроорганизмов
В севообороте аэробные азотфиксаторы выявлены в оба срока отбора проб почвы. Содержание азотобактера в почве в севообороте в июне составило 81%, а в августе (период уборки) - 96%, в бессменных посевах соответственно - 41 и 53%. В почве бессменного пара эти различия были более существенными - 18 и 62%.
Итак, микробный комплекс дерново-подзолистой среднесуглинистой Г почвы представлен преимущественно микроорганизмами, усваивающими минеральные и органические формы азота (до 99%). Другие виды микроорганизмов (азотфиксаторы, денитрификаторы, микроскопические грибы и т.д.) встречаются в небольшом количестве. На фоне минеральных и органических удобрений, как при известковании, так и без извести доля этих видов в микробном сообществе еще ниже.
Характерно, что наименьшая численность микроорганизмов в пахотном слое почвы была в бессменном пару на неудобренном фоне - 729 тыс. шт./г (табл.8). При внесении минеральных удобрений, особенно, при сочетании их с навозом и известью, численность микробов возросла в 9 раз. Под посевами озимой ржи численность микроорганизмов значительно выше по сравнению с паровым полем в результате поступления растительных остатков, причем наиболее высокая микробиологическая активность пахотного слоя почвы при возделывании озимой ржи установлена в севообороте.
Микробиологическая активность почвы существенно возрастает на фоне внесения минеральных удобрений, особенно - при их совместном использовании с навозом и известью.
Таким образом, длительное применение удобрений, севооборота и периодическое известкование легкосуглинистой дерново-подзолистой почвы способствует оптимизации микробного комплекса пахотного слоя, повышению уровня микробиологической активности. Общая численность микроорганизмов (бактерий и актиномицетов) в почве при длительном применении удобрений увеличивается, а грибов - уменьшается, численность бацилл и актиномицетов также повышается, особенно на фоне известкования. При этом в микробном комплексе преобладают микроорганизмы, использующие минеральные формы азота.
Целлюлозоразлагающие бактерии играют значительную роль в формировании плодородие почвы. Благодаря их деятельности выделяется большое количество СОг, вследствие чего увеличивается доступность для растений элементов минерального питания. Продукты разложения целлюлозы могут быть также использованы многими другими микроорганизмами, в том числе целлюлозоразлагающими бактериями, формирующими высокий уровень эффективного плодородия почвы. Достаточно указать на симбиоз целлюло-зоразлагающих и азотфиксирующих бактерий.
По нашим наблюдениям, в комплексе целлюлозоразлагающих микробов наиболее часто встречаются миксобактерии: Sporocytophaga, Cytophaga, Cellfalcicula и ряд других видов несовершенных миксобактерии, разлагающих целлюлозу. На втором месте стоят вибрионы, на третьем — Cellulo-monas и спороносные бактерии.
В нашем опыте установлено, что численность целлюлозоразлагающих микроорганизмов к концу вегетации увеличивается во всех вариантах опыта, достигая наибольших значений при внесении органоминеральных удобрений и извести. Известкование дерново-подзолистой почвы оказывает положительное влияние на разложение целлюлозы. Особенно это проявилось на посевах озимой ржи при возделывании как бессменно (9,73 тыс. шт/г), так и в севообороте - (11,32 тыс. шт/г) (рис.12 прил.7). Это связано с усилением активности бактерий при нейтрализации реакции среды (рН=6,23-6,50), а также с созданием более благоприятных условий для роста и развития самих растений. Интенсивность разложения клетчатки в пахотном слое почвы уменьшалась в следующей последовательности: лен в севообороте лен бессменно рожь в севообороте рожь бессменно пар бессменный.
При совместном применении NPK и навоза интенсивность разложения льняной ткани по сравнению с контролем увеличивается почти в 1,5 раза, а при внесении извести - в 1,5-2 раза (табл.14). Результаты исследований сви-детелъствуюто том, что в зависимости от культуры, а также применения минеральных и органических удобрений, создаются различные условия для эффективной деятельности целлюлозоразлагающих бактерий (рис. 13,14). Так, в бессменных посевах несколько большая целлюлозоразлагающая активность установлена на льне (табл.9), что связано с большим накоплением влаги в почве данного варианта опыта. За вегетационный период в пахотном слое почвы подо льном разлагалось более 50% полотна. Применение минеральных удобрений способствует увеличению интенсивности разложения
льняного полотна на 13% по сравнению с контролем, а при совместном внесении NPK и навоза - на 22%.
Динамика разложения хлорсульфурона в почве
Содержание меди в семенах льна-долгунца составило в среднем 10,7-17,6 мг/кг, что превышает установленную ПДК (10,0 мг/кг). Наибольшее содержание меди установлено на неизвесткованном фоне (17,6 мг/кг) без удобрений. Внесение удобрений, особенно органоминеральных, способствует некоторому уменьшению содержания меди в семенах. Так, при внесении NPK в сочетании с навозом на фоне извести содержание меди в семенах льна-долгунца снижается с 15,6 до 10,7 мг/кг. Содержание Ni в почве всех вариантов опыта было выше ПДК. Особенно заметно содержание никеля увеличилось на фоне комплексного применения NPK и навоза по фону извести (9,1 мг/кг).
Содержание цинка в семенах превышает допустимый уровень на 20-30%. Хотя его количество в почве было ниже или на уровне ПДК, такое превышение уровня ПДК установлено в семенах при выращивании культуры на фоне без удобрений и внесения органических и минеральных удобрений. На фоне внесения извести, а также при применении минеральных удобрений на фоне известкования - 51,4 мг/кг. Это превышение было незначительным - 8-0,3%.
При анализе содержания свинца в семенах льна (его содержание в почве превышает уровень ПДК) установлено, что повышенный уровень - 0,6 мг/кг, в 2 раза превышающий ПДК (0,3 мг/кг), отмечен на фоне известкования в варианте без удобрений (табл. 27). В семенах льна-долгунца, полученных с других вариантов опыта, его содержание было значительно ниже ПДК (в 1,5-5 раз).
Таким образом, повышенное содержание в пахотном слое почвы тяжелых металлов (выше уровня ПДК) не во всех случаях приводит к их повышенному содержанию в продукции и, наоборот, при относительно невысоком их содержании в почве (ниже ПДК) содержание в семенах льна-долгунца в ряде случаев превышает установленные уровни ПДК, в частности, по содержанию Cd, Ni, Со, Zn.
Результаты определения содержания ТМ в соломке льна-долгунца показали, что содержание кадмия в ней колеблется от 1,4 до 0,1 мг/кг (табл. 22). Это превышает уровень ПДК в 4,5 раза. Повышенное содержание кадмия установлено на фоне без удобрений как по извести, так и без нее. Внесение минеральных и органических удобрений заметно снижают его содержание в соломке до 0,1 мг/кг.
Содержание кобальта в льносоломке во всех вариантах опыта не превышало ПДК. Характерно, что медь в соломке льна-долгунца обнаружена в меньших количествах (от 4,5 до 6,8 мг/кг), чем в семенах (10,7-17,6 мг/кг), что указывает на преимущественную локализацию ее в семенах. Содержание никеля в соломке так же изменяется в зависимости от применения удобрений и извести. Так, содержание Ni в соломке было в пределах от 1,7 до 4,3 мг/кг, что превысило уровень ПДК (3,0 мг/кг) в 1,5 раза только в варианте с внесением органоминеральных удобрений.
Характерно, что содержание цинка в соломке льна-долгунца было значительно ниже, чем в семенах. Так, в соломке его содержание составило в среднем от 11,2 до 33,6 мг/кг, что было ниже ПДК, содержание в семенах льна-долгунца составило в среднем 47,6-66,9 мг/кг. Экспериментальные данные свидетельствуют, что содержание свинца в соломке льна-долгунца было в среднем в 1,5 раза выше, чем в семенах, но ПДК не превышало.
Таким образом, установлены закономерности локализации тяжелых металлов в семенах и соломке при возделывании льна-долгунца на разных фонах применения удобрений и мелиорантов. В частности, цинк, медь и никель преимущественно накапливаются в семенах. Внесение удобрений и извести оказывают заметное влияние на содержание ТМ в семенах и соломке льна-долгунца.
Определение содержания ТМ в пахотном слое почвы под озимой ро- \ жыо показало, что оно мало отличалось от их содержания в почве под льном- I долгунцом. Содержание кадмия в почве было ниже ПДК (1,0 мг/кг) во всех вариантах опыта (рис. 18,19, прил.8).
