Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 7
Глава 2. Объект, условия и методика проведения исследований 30
2.1. Объект исследований 30
2.2. Почвенные условия 34
2.3. Метеорологические условия в годы исследований 37
2.4. Программа и методика проведения исследований 44
Глава 3. Влияние способов обработки почвы, сидеральных культур и многолетних трав на агрофизические и агрохимические показатели почвы 48
3.1. Структурно-агрегатный состав и плотность (объемная масса) почвы 48
3.2. Влажность почвы в зависимости от приемов обработки 58
3.3. Изменение агрохимических свойств почвы 62
Глава 4. Накопление фитомассы сидеральными культурами и биологическая активность почвы в зависимости от обработки почвы 68
4.1. Накопление надземной фитомассы 68
4.2. Накопление общей фитомассы 71
4.3. Биологическая активность почвы 76
Глава 5. Продуктивность эродированных земель в зависимости от приемов их залуження 80
5.1. Густота травостоя 80
5.2. Урожайность многолетних трав 84
5.3. Ботанический состав и засоренность травостоя 88
5.4. Накопление корневой массы многолетними травами 91
5.5. Химический состав растений 95
Глава 6. Эколого-экономическая эффективность приемов повышения продуктивности эродированных земель 100
6.1. Смыв почвы 100
6.2. Экономическая эффективность 103
6.3. Энергетическая эффективность 107
Выводы 111
Предложения производству 114
Список литературы 115
Приложения 135
- Метеорологические условия в годы исследований
- Влажность почвы в зависимости от приемов обработки
- Накопление общей фитомассы
- Ботанический состав и засоренность травостоя
Введение к работе
Актуальность проблемы. Обострившиеся в последнее время экономические и экологические проблемы в сельском хозяйстве требуют корректировки агротехнологий в сторону ресурсосбережения, средовосстановления, оптимального сочетания биологических и химических средств, повышения рентабельности сельскохозяйственного производства.
В Центрально-Черноземной зоне более 2 млн. га пахотных земель подвержены водной эрозии и важнейшей задачей современного земледелия является защита почв от эрозии, деградации, сохранение и повышение плодородия эродированных почв. В последнее время отмечается резкое уменьшение применения минеральных удобрений из-за их дороговизны. По мнению многих специалистов, эту задачу наиболее успешно можно решить путем более широкого использования биологических методов и средств: плодосменных севооборотов с многолетними травами и бобовыми культурами, органических удобрений, сидерации, поукосных и пожнивных посевов. Очень важным является также ми-нимализация обработки почвы, способствующая предотвращению ее деградации, бережному расходу гумуса и экономии затрат (В.Ф. Кирдин, Е.К. Саранин, 1996).
Низкие дозы внесения органических удобрений объясняются недостатком получаемого в хозяйствах навоза. Важным источником поступления в почву органического вещества являются сидеральные культуры. Однако этот прием пока не получил должного распространения в ЦЧЗ.
Залужение эродированных пахотных земель позволило бы решить две взаимосвязанные задачи. Во-первых, залужение является важным способом сохранения и повышения плодородия почвы и защиты ее от эрозии. Во-вторых, увеличение площади под многолетними травами и повышение их урожайности будет способствовать укреплению кормовой базы, развитию животноводства и соответственно накоплению навоза для поддержания бездефицитного баланса гумуса на интенсивно используемой пашне.
В связи с этим нами осуществлялась разработка эффективных способов залуження среднеэродированных типичных черноземов в условиях лесостепи ЦЧЗ, обеспечивающих сокращение смыва почвы и повышение продуктивности эродированных земель.
Диссертационная работа является составной частью плана научно-исследовательских работ ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии.
Цель и задачи исследований. Цель наших исследований заключалась в выявлении эффективных способов залуження среднесмытых типичных черноземов и повышении продуктивности земель с использованием биологических и химических средств и разных способов обработки почвы.
В задачи исследований входило выявить влияние черного и сидеральных паров, отвальной и безотвальной обработки почвы, минеральных удобрений на:
изменение агрофизических и агрохимических показателей эродированных почв;
формирование травостоя и урожайность многолетних трав;
эколого-экономическую эффективность способов залуження эродированных земель.
Научная новизна работы. В условиях лесостепи ЦЧЗ проведена эколого-экономическая оценка комплекса приемов залуження среднесмытых типичных черноземов. Изучено влияние сидеральных культур, основной обработки почвы, минеральных удобрений на повышение продуктивности земель и защиту почв от эрозии.
Основные положения, выносимые на защиту. В результате исследований разработаны и выносятся на защиту следующие положения:
В условиях лесостепи ЦЧЗ применение сидеральных культур, отвальной обработки почвы и минеральных удобрений при залужений среднесмытых типичных черноземов способствует повышению продуктивности почвы и улучшению ее агрофизических показателей.
Высокую урожайность травостоя на эродированных землях обеспечивает залужение после сидерального (горохового) пара.
3. Залужение среднесмытых типичных черноземов является экологически и экономически эффективным способом защиты почвы от эрозии и повышения продуктивности земель.
Практическая ценность работы. Применение комплекса приемов, включающего сидеральный (гороховый) пар и отвальную обработку почвы, при залужений среднесмытых типичных черноземов в условиях лесостепи ЦЧЗ способствует предотвращению смыва почвы в первый год пользования травостоем в 1,5 раза и повышению урожайности многолетних трав в среднем за три года на 27% в варианте без удобрений и на 80% в варианте с внесением минеральных удобрений в дозе N60P6oK^o по сравнению с контролем (летнее залужение по черному пару при отвальной обработке почвы без применения удобрений).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной научной конференции (Пущино, 2001); на научно-практических конференциях (Курск, 2000, 2001, 2003).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 научных работ.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 150 страницах машинописного текста и состоит из введения, б глав, 3 рисунков, 41 таблицы, выводов, предложений производству, списка литературы, включающего 233 наименования, в т.ч. 14 на иностранных языках, 14 приложений.
Метеорологические условия в годы исследований
Основным источником пополнения влагозапасов почвы на склоновых землях являются атмосферные осадки. От количества осадков и температурного режима зависит рост и развитие многолетних трав, их урожайность.
В период проведения исследований использовались данные метеорологических наблюдений метеостанции Петринка, расположенной на расстоянии 5 км от ОППХ.
Среднемноголетняя температура воздуха составляет 5,5С, а сумма температур более 10С - 2425С. Продолжительность вегетационного периода составляет 188 дней.
Среднемноголетнее количество осадков составляет 575 мм и около 75% их выпадает в период вегетации растений. Бездождливые периоды продолжаются 8-10 дней. В наиболее засушливые годы бездождливые периоды могут продолжаться до 30-35 дней и более. Кроме того, в мае-июне опасность для растений представляют суховеи юго-восточного направления.
Весна, обычно, дружная. Осень в первой половине сухая и теплая, а во второй - дождливая и туманная. Первые заморозки бывают в начале октября. В зимнее время высота снежного покрова составляет 25-30 см, который сохраняется около 120 дней в году. Максимальная глубина промерзания почвы в зимний период - 128 см, средняя - 67 см, минимальная - 33 см.
В целом можно сказать, что климатические условия территории опытного хозяйства являются типичными для лесостепной зоны.
В период проведения исследований погодные условия различались по годам (рис.1, 2; прил. 1,2). 1998-1999 сельскохозяйственный год (с ноября 1998 по октябрь 1999 года) оказался на 1,3С теплее обычного, со средней температурой воздуха 6,8С.
Осадков за год выпало 503 мм, или 87% нормы. Длительные засушливые периоды наблюдались в апреле и июле. Теплообеспеченность вегетационного периода была высокой. Сумма активных температур выше 10С составила 2765С, что на 340С больше нормы, эффективных температур выше 5С - 2147С, что на 352С больше нормы. Средняя температура воздуха за зимний период оказалась несколько выше нормы.
Распределение осадков в течение зимы было неравномерным. Дефицит отмечался в декабре, когда выпало 21 мм осадков, или 50% нормы. Для зимнего периода было характерно неглубокое промерзание почвы.
Весенний режим погоды 1999 года установился 22 марта, с переходом среднесуточной температуры воздуха через 0С в сторону дальнейшего повышения. 30 апреля началась холодная погода, которая продолжалась до конца весны - до 22 мая.
Средняя температура воздуха за весенний сезон составила 8,0С, т.е. была в пределах нормы.
Осадки в течение весны выпадали крайне неравномерно. В апреле выпало лишь 13 мм, что составляет 33% нормы. Быстрое нарастание тепла в начале весны способствовало интенсивному снеготаянию, оттаиванию и прогреванию почвы. Полный сход снега с полей был отмечен в последней пятидневке марта. В этот же период, на десять дней раньше средних многолетних сроков, наблюдалось оттаивание почвы на полную глубину.
Для лета была характерна устойчиво жаркая сухая погода. Среднедекад-ные и среднемесячные значения температуры воздуха самых жарких месяцев (июнь и июль) колебались от 18 до 25С, что на 2-6С выше нормы. В августе жара спала, и температурный режим приблизился к обычному.
В третьей декаде мая - июне - июле преобладала сухая погода. Сохранение длительное время устойчивой жаркой и сухой погоды довольно редкое явление для Курской области. В июле выпало только 31 мм осадков, или 42% нормы. Только в августе выпало 83 мм осадков при норме 65 мм.
В течение осени наблюдалась неустойчивая погода. Первые заморозки отмечались на месяц позже средних многолетних дат. Осадки на протяжении осени выпадали неравномерно. В целом за октябрь осадков выпало всего 23 мм, т.е. 49% нормы.
Следующий сельскохозяйственный год (с ноября 1999 года по октябрь 2000 года) оказался на 1,2С теплее среднего многолетнего значения (за счет теплой погоды зимой и в начале весны), но в пределах прошлого года (6,7С).
Осадков выпало 556 мм, что соответствует 97% нормы. Дефицит осадков отмечен в мае и октябре. Накопление тепла в течение вегетационного периода происходило неравномерно. В условиях нежаркой погоды в период активной вегетации сумма температур составила 2395С, что на 30С меньше нормы. Сумма эффективных температур выше 5С за сезон на 105С превысила среднюю многолетнюю и составила 1900С.
В начале зимы преобладала холодная погода. В остальные зимние месяцы было теплее среднего многолетнего значения.
Осадки за зимний период выпадали неравномерно. Снежный покров на полях появился в четвертой пятидневке ноября, почти на неделю позже обычных сроков. Окончательный сход снега с полей наблюдался в конце марта - начале апреля. Максимальная высота снежного покрова за зиму составила 30 см. Глубина промерзания почвы была небольшой. Теплая погода начала весны способствовала быстрому оттаиванию почвы. В первой пятидневке апреля среднесуточная температура почвы на глубинах 5 и 10 см достигла 6-8С, что на десять дней раньше обычных сроков.
В конце марта и в апреле преобладала погода с повышенным температурным режимом. 1 мая резко похолодало. Погода холоднее обычной с кратковременными потеплениями сохранялась до конца весны. Выпадение осадков было неравномерным. Если в апреле выпало 67 мм, или 172%, то в мае только 23 мм, или 44% нормы.
Влажность почвы в зависимости от приемов обработки
Для решения большого круга научных и практических задач, связанных с оптимизацией технологий выращивания культур с максимально возможной реализацией ресурсного потенциала земли необходимо иметь данные о продуктивной влаге почвы в течение всего вегетационного периода.
М.И. Комаров (1985), Г.И. Уваров (1997) указывали на снижение запасов влаги на фоне безотвальных обработок по сравнению со вспашкой, а другие исследователи (С.С. Сдобников, 1968; В.И. Санковский, 1985; Н.И. Картамышев и др., 1988), напротив, отмечали, что почвозащитные обработки почвы положительно влияют на ее водный режим.
Исследованиями Пензенской сельскохозяйственной опытной станции (Д.С. Арбузов, 1959) установлено, что глубокое безотвальное рыхление по сравнению с обычной отвальной вспашкой преимущества в урожае многолетних трав не имеет. По данным В.А. Черкасовой (1969), урожай сена многолетних трав по отвальной вспашке в НИИСХ Юго-востока составил 10,4 ц/га, а по безотвальному рыхлению - 8,5 ц/га.
Наши наблюдения показали, что вид пара и обработки почвы оказали влияние на содержание влаги в почве.
Весной 1999 года перед закладкой опыта влажность почвы в слоях 0-30 и 0-100 см составила 22,9 и 24,9%. После заделки сидеральных культур наименьшее содержание влаги отмечалось в вариантах горохового пара, как при отвальном, так и при безотвальном способе обработки почвы (табл. 8).
Наибольшая влажность почвы отмечалась в варианте черного пара с безотвальной обработкой. Разница в сравнении с контролем составила 3,3% в слое почвы 0-30 и 1,0% в слое 0-100 см.
Под всходами многолетних трав и озимой пшеницы осенью 1999 года влажность почвы была на одном уровне независимо от обработки почвы (табл. 9, 10). По многолетним травам она составила 26,1-29,3% в слое 0-30 и 24,0-27,0% в слое почвы 0-100 см, а по озимой пшенице - 26,4-29,1 и 24,6-27,7% соответственно. Более высокая влажность почвы отмечена в вариантах посева по черному пару, как в 1999, так и в 2000 и в начале 2001 годов.
Летом 2000 года высокая влажность почвы наблюдалась в опыте 1а с заделкой в почву озимой пшеницы, как сидеральной культуры. Разница по сравнению с многолетними травами первого года пользования (опыт 1) составила 2,2-6,2%.
В 2001 году весенние запасы влаги на многолетних травах второго и первого года пользования оставались на одном уровне. Наибольшая влажность почвы наблюдалась на контролях.
В середине вегетации содержание влаги в почве снизилось, но оставалось на одном уровне, как на травах второго года пользования, так и первого. Отвальная и безотвальная обработки почвы практически не оказали влияния на влажность почвы.
В целом следует отметить, что черный пар способствовал влагонакопле-нию и действие его в этом плане сохранялось и на второй год. Способы обработки почвы оказывали влияние на накопление влаги только на посевах сиде-ральных культур.
Основа плодородия почв - гумус. Рачительное отношение к нему является общегосударственной задачей.
По мнению A.M. Лыкова (1985), окультуренные высокогумусированные почвы расходуют больше органического вещества не только для удовлетворения потребностей растений, но и для поддержания высокого биологического потенциала. Поэтому для компенсации убыли гумуса и предотвращения его снижения в черноземных почвах ЦЧЗ необходимо вносить не менее 60 млн. тонн органических удобрений, т.е. 6 т/га пашни (А.П. Щербаков, И.Д. Рудай, 1983).
Важным источником пополнения органического вещества и улучшения агрофизических и агрохимических свойств почвы являются сидеральные культуры. По данным Г.А. Евсеевой (1987), на черноземе выщелоченном сидераты обогатили почву наиболее подвижными азотсодержащими компонентами, не изменив содержание труднодоступных соединений и под сидеральными культурами процессы нитрификации активизировались лишь после их запашки.
Результаты исследований показали, что после выращивания сидеральных культур и многолетних трав происходят некоторые изменения в агрохимических показателях почвы (табл. 11, 12).
Содержание гумуса в слое почвы 0-20 см под многолетними травами в опыте 1 и в опыте 1а составило 4,77-5,36%, в зависимости от варианта.
Кислотность почвы на травостое второго года пользования составила 7,2-7,6, а на травостое первого года пользования она варьировала в более широких пределах - 7,0-7,7. В целом данный показатель находился в пределах оптимальных для выращивания многолетних трав.
Сумма обменных оснований на травах второго года пользования была несколько выше соответствующих вариантов с посевом многолетних трав после озимой пшеницы. Но и на травах второго и первого года пользования почва характеризовалась высокой степенью насыщенности основаниями - 96,8-99,1%.
Содержание азота колебалось в зависимости от вариантов. На травостое второго года пользования максимальное его количество отмечено в варианте с посевом трав по черному пару с безотвальной обработкой почвы. В вариантах сидерального пара безотвальная обработка также способствовала увеличению содержания азота в почве по сравнению с отвальной обработкой.
Накопление общей фитомассы
При возделывании сидеральных культур важным источником пополнения органического вещества почвы является подземная фитомасса.
В наших исследованиях в 1999 году накопление сухой корневой массы сидератами было несколько больше на гороховом пару -1,5 т/га (табл. 17).
На посевах озимой пшеницы наибольшее накопление корневой массы происходило в вариантах с безотвальной обработкой почвы. Только в варианте, где она высевалась после гороха по отвальной обработке, накопление подземной фитомассы превысило на 11% такой же вариант опыта с безотвальной обработкой. Причем если по отвальной обработке распределение корней было более равномерным в слоях почвы 0-10 и 10-20 см (66-69 и 31-34%), то при безотвальной основная их масса была сосредоточена в слое почвы 0-10 см (76-81 и 19-24%).
В целом в вариантах, где озимая пшеница высевалась по черному пару, накопление корневой массы по слоям почвы 0-10 и 10-20 см происходило более медленно, чем после сидеральных паров, независимо от обработки почвы. В посевах озимой пшеницы после горохового пара накопление корней по отваль ной обработке на 62%, а по безотвальной - на 19% было больше, чем в вариантах посева озимой пшеницы по черному пару.
Это подтверждают исследования Н.И. Зезюкова (1993), по данным кото-- рого под озимой пшеницей по сидеральному пару растительных остатков остается в 1,5 раза больше, чем по чистому пару. Накопление общей сухой фитомассы сидератами представлено в таблице 18.
В 1999 году наибольшее накопление общей сухой фитомассы отмечено в варианте горохового пара - 3,8 т/га и на 0,4 т/га оно превысило вариант с викой.
Установлено, что уже в год прямого действия зеленое удобрение может повышать урожайность культур на 30-70% (В.Ф. Кормилицьш, 1999). Поэтому в 2000 году накопление общей фитомассы на делянках, где озимая пшеница высевалась после сидератов, превосходило варианты с посевом ее по черному пару. По отвальной обработке разница составила 52 и 30%, а по безотвальной -13 и 15% после гороха и вики соответственно.
Наибольшее накопление надземной фитомассы и корней озимой пшеницей отмечалось в варианте, где в качестве сидеральной культуры использовался горох с заделкой его в почву при помощи вспашки. Сходные данные получены Ю.И. Кудашовым (1991) в Воронежской области. Его исследования показали, что лучшим из сидеральных паров для озимой пшеницы является гороховый пар.
Кроме накопления фитомассы сидеральными культурами, важную роль играет их химический состав, т.к. от него зависит способность сидерата обеспечить последующие культуры необходимыми элементами питания.
Р.Ф. Хасанов (1994) установил, что сидераты по своему химическому составу являются преимущественно азотно-калийными удобрениями, поэтому эффективно совместное внесение фосфора. Это подтверждается нашими исследованиями.
Содержание фосфора в горохе и вике было ниже, чем в озимой пшенице (табл. 19). Более высокое содержание фосфора в растениях озимой пшеницы отмечено при возделывании ее по безотвальной обработке почвы. Содержание азота, фосфора и калия в растениях вики было выше, чем у гороха. Следует подчеркнуть, что если содержание фосфора было больше в озимой пшенице возделываемой по безотвальной обработке, то азота - по отвальной обработке почвы.
В таблице 20 приведены данные о поступлении в почву элементов питания с надземной фитомассой сидератов.
В целом можно сказать, что величина поступления в почву элементов питания зависела от урожайности сидеральных культур, т.к. различия в их химическом составе были небольшими и мало влияли на разницу между вариантами опыта. Наибольшее накопление надземной фитомассы отмечалось в варианте, где озимая пшеница высевалась после горохового пара по отвальной обработке почвы, следовательно, и наибольшее поступление элементов питания в почву было именно в этом варианте.
Ботанический состав и засоренность травостоя
Ботанический состав травостоя - важный показатель качества корма и его биологической ценности. Поддержание длительное время нужного ботанического состава травостоя имеет большое экологическое и экономическое значение. Но любой созданный человеком агрофитоценоз не остается в первоначальном виде: с возрастом он меняется. Эти изменения закономерны для луговых сообществ. Они более выражены при хозяйственном использовании травостоев - сенокошении, выпасе скота (Н.Г. Андреев, В.А. Савицкая, 1988). Данные о ботаническом составе и засоренности травостоя приведены в таблицах 29 и 30 и приложениях 10 и 11. Исследования показали, что предшественники по-разному повлияли на ботанический состав травостоя. В 2000 году в вариантах залуження по черному пару кострец безостый и эспарцет песчаный неравномерно участвовали в урожае. Если доля костреца составляла 65,0-68,8%, то доля эспарцета была всего 19,7-25,9%, в зависимости от варианта опыта. Только в варианте залужение по черному пару при безотвальной обработке почвы без внесения удобрений оба компонента равномерно участвовали в урожае. В вариантах, где залуження проводились после горохового и викового паров, кострец и эспарцет первого года пользования более равномерно участвовали в урожае и их доля в вариантах без удобрений составила 32,2 - 44,0 и 49,0 - 61,2%, а с внесением удобрений - 24,8 - 44,4 и 48,3 - 68,8% соответственно. Наибольшая доля разнотравья на травах первого года пользования отмечена на контроле и составила 15,3%, а наименьшая - в варианте залужение после викового пара по отвальной обработке почвы без внесения удобрений -3,0%. В 2001 году ботанический состав травостоя второго года пользования существенно не изменился. Доля костреца безостого по черному пару составила 68,1-70,6%.
В вариантах залуження после гороха и вики оба компонента относительно равномерно участвовали в урожае. Доля костреца в вариантах без удобрений составляла 37,2-46,3% и с удобрениями - 31,8-49,7%, а эспарцета - 45,2-54,8 и 42,5-64,4% соответственно. На многолетних травах первого года пользования, посеянных после гороха, вики и озимой пшеницы, получены сходные данные. Так, доля костреца безостого в вариантах без удобрений составила 36,2-44,3% и с удобрениями -37,9-42,4%, а эспарцета песчаного - 45,2-55,6 и 47,6-56,1% соответственно. Имеющиеся под травостоем количества корней во много раз превышают количества корней у полевых культур. Иначе говоря, количества корней под травостоями необычно велики и по мере увеличения возраста травостоя склонны возрастать (Э. Клапп, 1961; Р.И. Тоомре, 1966). Наибольшее количество органического вещества в виде корневых остатков отмечено под посевами бобово-злаковых травосмесей (А.П. Будилов, 1997).
При сопоставлении воздушно-сухого веса надземной и подземной массы сеяных травостоев оказывается, что в посевах многолетних трав масса надземных частей лишь иногда превышает подземную (у люцерны в 1,5 раза), чаще же эти величины равны или подземная часть в 1,3-2,0 раза превосходит надземную (И.В. Ларин, 1956; Н.Ф. Михайлова, 1983). Из общего количества корневых и пожнивных остатков, накапливаемых растениями в слое почвы 0-40 см, основная масса их (от 67,2 до 85,1%) находится в слое почвы 0-20 см, где она и разлагается (О.Г. Котлярова, 1995). Данные, полученные нами, о накоплении сухой корневой массы многолетними травами первого и второго года пользования приведены в таблицах 31 и 32. Следует отметить, что различные предшественники, обработки почвы и применение минеральных удобрений оказали влияние на интенсивность накопления подземной фитомассы. В 2000 году в вариантах с посевом многолетних трав после горохового пара происходило более интенсивное накопление корневой массы, чем в вариантах черного и викового паров. При залужений эродированных земель по отвальной обработке почвы корневая масса трав была на 8-24% больше по сравнению с безотвальной обработкой. Внесение минеральных удобрений в дозе Ы60РбоКбо способствовало увеличению веса подземной фитомассы на 42-57%, в зависимости от варианта опыта. Наибольшее накопление корневой массы отмечено на посевах многолетних трав после гороха по отвальной обработке почвы, где вес корней в среднем за два года в 1,4-1,9 раза, в зависимости от удобрений, превысил контроль. На травостое второго года пользования наблюдались сходные результаты. Количество сухой подземной фитомассы в вариантах с отвальной обработкой было выше соответствующих вариантов с безотвальной обработкой на 8-26%. Применение минеральных удобрений позволило увеличить вес сухой корневой массы на 36-52% по сравнению с вариантами без внесения удобрений. Следует отметить, что прирост сухой корневой массы в 2001 году на посевах многолетних трав второго года пользования по сравнению с травостоем первого года пользования (2000 г.) составил 35-57% в вариантах без внесения удобрений и 37-49% в вариантах с внесением удобрений в дозе ЫбоРбоКбо.
