Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности биологизации земледелия 6
1.1. Типы биологических агроэкосистем 7
1.2. Влияние внесения навоза на плодородие почвы и урожайность сельскохозяйственных культур 11
1.3. Применение нетоварной части урожая как фактора повышения плодородия почвы и урожайности сельскохозяйственных культур 20
1.4. Применение сидератов в системах земледелия 28
Глава 2. Почвенно-климатические условия в годы проведения исследований 42
2.1. Природно-климатические условия 42
2.2.- Характеристика почв опытного участка 45
2.3. Агрометеорологические условия за годы проведения исследований 47
Глава 3. Схема опыта, задачи и методики проведения исследований 52
3.1. Схема опыта 52
3.2. Цели, задачи и методики проведения исследований 55
Глава 4. Влияние факторов биологизации земледелия на плодородие почвы 57
4.1. Агрофизические свойства почвы 57
4.2. Содержание фосфора и калия в почве 62
4.3. Реакция среды 65
4.4. Содержание гумуса. 66
4.5. Биологическая активность почвы 68
4.6. Численность дождевых червей 71
Глава 5. Динамика засоренности культур севооборотов при использовании различных факторов биологизации . 73
Глава 6. Влияние различных уровней биологизации на продуктивность агроэкосистем 83
Глава 7. Оценка качества культур в севооборотах 92
7.1. Озимая пшеница 92
7.2. Сахарная свекла (Картофель) 97
7.3. Ячмень 98
Глава 8. Экономическая эффективность применения различных уровней биологизации 102
Глава 9. Биоэнергетическая эффективность функционирования агроэкосистем при различных уровнях биологизации земледелия 104
Выводы 109
Предложения производству 113
Литература 114
Приложения 134
- Влияние внесения навоза на плодородие почвы и урожайность сельскохозяйственных культур
- Агрометеорологические условия за годы проведения исследований
- Цели, задачи и методики проведения исследований
- Биологическая активность почвы
Введение к работе
В последние десятилетия интенсификация сельскохозяйственного производства привела к некоторым негативным последствиям. Интенсивное ведение земледелия наряду с положительным воздействием на растение и почву обусловило ряд экологических проблем, определяемых усилением антропогенного воздействия на окружающую среду. При одностороннем техногенном подходе (широкое распространение генетически однородных сортов и гибридов, применение высоких доз удобрений и пестицидов и т.д.) окружающая среда, как правило, загрязняется токсическими веществами, возрастает эрозия почв, значительно снижается количество и видовое разнообразие полезной флоры и фауны, увеличивается степень поражения агроэкосистем болезнями и вредителями, возникает опасность деградации природной среды.
Повышение плодородия почвы и урожайности сельскохозяйственных культур, что отмечается при использовании средств химизации в возрастающих объемах, очень часто отрицательно влияет на качество получаемой продукции, ослабляет интенсивность течения ряда биологических процессов в почве.
Несмотря на то, что в России масштабы применения минеральных удобрений и химических средств защиты растений ещё не достигли уровня развитых западноевропейских стран и США, а в последние годы ввиду высоких цен на них даже снижаются, отрицательное последействие одностороннего и несбалансированного использования средств химизации имеет место и не ослабевает. Кроме того, перспективы дальнейшего применения химических средств и природных материалов для воспроизводства плодородия почвы и создания условий для нормирования продуктивности возделываемых культур ограничиваются исчерпаемостью ресурсов для их производства. Существующие в настоящее время в мире направления исследований показывают, что решение указанных проблем возможно на основе всесторонней биологизации производ-
5 ства сельскохозяйственной продукции.
В основе биологизации земледелия находятся принципы создания высокопродуктивных агроэкосистем, функционирование которых осуществляется преимущественно на основе максимального использования биологических факторов формирования урожая полевых культур и плодородия почвы. К таким факторам, в первую очередь, можно отнести - использование органического вещества растительных формаций (солома, сидераты, побочная растительная продукция и др.) и использование навоза (это возможно лишь в многоотраслевом хозяйстве, где в единстве функционируют два цеха - растениеводство и животноводство). Причем, использование в практике вышеперечисленных факторов, в большей степени сохраняет природную сущность экосистем, а значит не противоречит законам их развития.
Отсюда целью наших исследований была разработка биологических способов воспроизводства плодородия почвы и получение устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур на основе использования различных факторов биологизации земледелия (в частности - навоза, сидерации и побочной продукции). В связи с этим на защиту выносятся следующие положения: внесение различных видов органики в почву способствует изменению агрофизических показателей плодородия почвы. использование сидеральных паров в чистом виде и с внесением навоза и побочной продукции способствует увеличению содержание подвижного фосфора и обменного калия в почве. установлено положительное влияние различных уровней биологизации на урожайность культур в агроэкосистемах и качество получаемой продукции. сидеральные пары способствуют некоторому снижению засоренности посевов сельскохозяйственных культур. на основе экономической и энергетической оценки агроэкосистем лучшим оказался вариант с сидеральным паром с внесением навоза и побочной продукции, который обеспечил довольно высокую урожайность культур, при низкой себестоимости и энергетических затратах.
Влияние внесения навоза на плодородие почвы и урожайность сельскохозяйственных культур
До настоящего времени наиболее традиционным и распространенным органическим удобрением был и остается навоз. О его эффективности в повышении плодородия почвы пишут многие исследователи в разных почвенно-климатических зонах. Д.Н. Прянишников (1965) писал: «Надо помнить, что без радикального изменения степени навозообеспеченности наших полей нечего и думать о том, чтобы создать нормальное соотношение между приходной и расходной частью баланса азота и других питательных веществ в нашем земледелии систематически повышать плодородие почв и поднять на должную высоту урожайность наших полей».
Многие исследователи считают целесообразным вносить органические удобрения, в основном, на паровых полях. Как в организационном, так и в агротехническом плане это поле наиболее подходящее. Во всех климатических зонах, где существует большой дефицит влаги, чистые пары занимают значительные площади пашни (Т.С. Мальцев, 1954; А.И Швядс, А.А Бучене, 1987; В.А. Потушанский, А.А. Хрипунова, 1988).
Органические удобрения оказывают многостороннее действие на агрономические свойства почвы и при правильном использовании резко повышают урожайнодть сельскохозяйственных культур. В их составе в почву поступают все необходимые растениям питательные (макро- и микро-) элементы. Так, каждая тонна сухого вещества навоза КРС содержит около 20 кг N, 10 кг - Р2О5, 24 кг - К20, 28 кг - СаО, 6 кг - MgO, 4 кг - серы (S03), 25 г - бора, 230 г - марганца, 20 г - меди, 100 г - цинка, 1,2 г - кобальта, 2 г - молибдена и 0,4 г - йода (Б.А. Ягодин и др., 1989).
С повышением уровня интенсификации земледелия при недостаточном внесении органических удобрений в пахотном слое усиливаются процессы минерализации гумуса, приводящие к сокращению его запасов. Так, под зерновыми культурами они составляют 0,3-1,2 т/га, под пропашными 0,9-1,7, а в чистом пару - 1,5-2,5 т/га в год. Такие значительные темпы потерь гумуса в течение 15-20 лет могут привести к уменьшению его содержания в почве на 0,5-1,5 %, что означает снижение почвенного плодородия и эффективности минеральных удобрений (Д.А. Кореньков, 1990).
Большинство авторов указывают, что в зависимости от почвенно-климатических условий 25-35 % сухого вещества навоза превращается в гумус, а 65-75% минерализуется и становится источником питания и энергии для растений и микроорганизмов (В.А. Васильев и др., 1988; А. Скроманис, 1989; S.P. Gaynor, 1979; М. Kirkham, 1974).
Л.К. Шевцова, Д.М. Сизова (1972) и другие авторы отмечают, что навоз способствовал более интенсивному накоплению гумуса, чем минеральные
удобрения. Различия в действии навоза и минеральных удобрений на накопление гумуса в почве обусловлено тем, что при внесение навоза источником гумуса в почве является органическое вещество навоза и пожнивно-корневые остатки, а при использовании минеральных удобрений в основном корневые и пожнивные остатки (В.П. Ганенко, 1978; В.Е. Егоров, 1966; СМ. Надежкин и др., 1997; И.В. Опенлендер, 1980; Л.К. Шевцова, 1966).
Так, в Польше на песчаных почвах, получавших ежегодно 60 т/га навоза в течение 57 лет содержание гумуса увеличилось почти на 300 процентов (от 0,81 до 3,08%). Самое значительное увеличение запасов азота, как общего, так и подвижного, происходит при совместном применении органических и минеральных удобрений. Это имеет большое значение для сохранения как эффективного, так и потенциального плодородия почвы (Л. Харштан и др., 1981).
Применение навоза способствует отчетливому повышению содержания гуминовых кислот в почве. Это связано с внесением готовых гуминовых кислот с навозом (В.П. Бугаев, З.М Осинова, 1966; Ф.К. Воробьев, П.М. Смирнов, 1954; И.Н. Донских и др., 1997; Б.Н. Золотарева и др., 1991; А.В. Лазурский, 1972; Т.К. Ливанова, 1973; 3. Подзоров, Н. Лесто, 1979; М.А. Цуркан, А.П. Сержанту, 1979; Э.И. Шконде и др., 1967).
При систематическом применении навоза одна тонна его повышала содержание гумуса в пахотном слое почвы в среднем на 0,01-0,02 % (М.А. Цуркан, 1985).
В опыте Белорусского НИИ почвоведения и агрохимии при ежегодном внесения 12 т/га навоза в течение 7 лет содержание гумуса в легких суглинистых почвах увеличилось на 11 % , а в тяжелых суглинистых почвах при дозе 10 т/га навоза оно повысилось даже на 25 % (А. Скроманис, 1989).
По исследованиям Б.Н Алмазова (1993), накопление гумуса от применения навоза составило 17,6 т/га (15,5 %) в пахотном и 30,4 т/га (28,5 %) в подпахотном горизонтах.
По данным В.А. Борисова, В.М. Ковылина (1997), при длительном (15 лет) внесении навоза произошло заметное увеличение содержания гумуса как в пахотном (3,89-4,28 %), так и в подпахотном (3,48-3,50 %) горизонтах почвы в среднем на 0,62 и 0,41 % соответственно. Ю.К. Кудзин (1966, 1968) указывает, что на черноземе Сумской опытной станции через пять ротаций севооборота (20 лет) на контроле гумуса в почве содержалось - 4,15 %, а на делянке, где вносили навоз - 5,34 %.
Внесение навоза в течение 27 лет, как показали опыты А.Я. Гетманца, Л.М. Дудченко (1978), увеличило содержание гумуса в слое 0-20 см на 0,33 %, а в слое 20-40 и 40-60 см - соответственно на 0,30 и 0,28%.
Исследования В.Д. Голубева (1987), проведенные на каштановых почвах Заволжья, показали, что на четвертый год после внесения навоза отмечено увеличение гумуса в слое 0-20 см на 0,12 % по сравнению с не удобренной почвой, содержащей его 2,96 %.
Агрометеорологические условия за годы проведения исследований
Характеристика почвы на участке проведения опыта по изучению влияния различных факторов биологизации на плодородие почвы и продуктивность культурных растений приведены в таблице 2.
Анализируя таблицу 2 можно сказать, что пахотный слой имеет слабокислую реакцию почвенного раствора, достаточно высокое содержание гумуса для этого типа почв, среднее содержание подвижного фосфора и обменного калия.
Метеорологические условия за годы проведения исследований характеризовались неравномерным распределением осадков и температуры воздуха, имели отклонения от среднемноголетних данных.
Более подробно с метеорологическими условиями в годы проведения исследований можно ознакомиться в таблице 3, рисунках 1, 2 и в приложениях 1, 2.
Самым холодным месяцем 1997 года был январь (средняя температура месяца —7,6 С). Самым жарким месяцем - июль (средняя температура месяца - 18,3 С). Вообще, январь, февраль и март были теплее среднемноголетнего. Апрель был холоднее, а май, июнь, июль, август и сентябрь по температуре не слишком отличались от среднемноголетних данных (таблица 3, рис. 2).
В целом за год выпало на 143,4 мм больше осадков по сравнению со среднемноголетними данными. Распределение осадков в 1997 году, сильно отличалось от среднемноголетнего распределения (рис. 2). В апреле и мае количество выпавших осадков было на 10 мм ниже нормы, но в июне и июле их выпало в два раза больше положенного. Засушливым оказался август (25% от среднемноголетнего), в сентябре выпало 56,8 мм (среднемноголетний показатель - 51 мм), октябрь вдвое превысил среднемноголетнюю норму (95,6 мм), ноябрь и декабрь соответствовали среднемноголетним данным.
По метеорологическим условиям 1998 г. был самым благоприятным для возделывания всех культур севооборота за время проведения исследований. Температура воздуха за данный период была выше среднемноголетней на 1,2 С. 1998 год примерно соответствовал среднемноголетним данным по среднемесячной температуре и значительно отличался от них по количеству и характеру распределения осадков. Температура за январь, февраль и март была выше среднемноголетнего на 4,7-3,7 С, так же выше она была за апрель, май, июнь и июль. Август, сентябрь, октябрь и ноябрь были холоднее, чем те же месяцы по среднемноголетним данным. Самым холодным месяцем зимы был -декабрь. Самым теплым летним месяцем - июнь. В конце апреля, начале мая установилась относительно теплая, с равномерным распределением осадков погода, что сказалось на равномерном появлении всходов культур в севообороте и максимальной продуктивностью за годы проведения исследований.
За год выпало осадков на 318,2 мм больше среднемноголетнего количества. По количеству выпавших осадков в 1998 году, в феврале, марте, апреле наблюдалось выпадение двойной нормы, что благоприятно сказалось на содержании продуктивной влаги в почве в начальный период роста и развития культурных растений в севообороте. В августе также выпала двойная норма осадков, что несколько затруднило уборку зерновых культур. И только июнь был засушливее, чем обычно (54,1-61 мм), остальные месяцы в основном не отличались от среднемноголетних данных.
За все годы исследований - 1999 г. был самым неблагоприятным по метеорологическим условиям, для возделывания культур в севооборотах и характеризовался пониженными температурами в первой и второй декадах мая, жаркой и сухой погодой летом. Самым холодным месяцем года был февраль, но температура воздуха зимой была выше среднемноголетней, самым теплым летним месяцем был июль. Среднегодовая температура воздуха была выше среднемноголетней на 2,7 С. За вегетационный период температура воздуха была выше среднемноголетней на 4,1 С, поэтому культурные растения, в течение нескольких фенологических фаз, страдали от засухи. Растения были низкорослыми и уступали по продуктивности предыдущим годам.
В целом за год выпала среднемноголетняя норма осадков, но по месяцам наблюдалась существенная разница, так за вегетационный период выпало на 89 мм осадков меньше чем по многолетним данным. В начале вегетации культурных растений количество осадков было почти в два раза ниже среднемноголет-них данных. Это сказалось на снижении запасов продуктивной влаги в почве, под культурными растениями, и в значительной степени повлияло на появление не дружных всходов яровых культур в севооборотах.
Цели, задачи и методики проведения исследований
Отсюда целью наших исследований была разработка биологических способов воспроизводства плодородия почвы и получение устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур, требуемого качества, на основе использования различных факторов биологизации земледелия (в частности - навоза, сидерации и побочной продукции) В связи с данной целью были поставлены следующие задачи исследований: 1) определить влияние различных уровней биологизации на показатели плодородия почвы: агрофизические показатели (содержание доступной влаги, объёмную массу почвы), содержание P2Os и К20, содержание гумуса, биологическую активность почвы, реакцию среды. 2) изучить влияние внесения сидерата, навоза, нетоварной части урожая на динамику засоренности посевов сельскохозяйственных культур в агроэкоси-стемах 3) определить уровень урожайности и качество полученной продукции культур, выращенных при различных уровнях биологизации 4) определить биоэнергетическую эффективность функционирования агро-экосистем при различных уровнях биологизации земледелия. При обследовании почвы опытного участка перед закладкой опытов были применены следующие методы определения агрохимических и почвенных анализов: 1. рН солевой вытяжки по Алямовскому. 2. Гумус - по Тюрину в модификации Симакова. 3. Сумма поглощённых оснований, обменные катионы кальция и магния 56 обменным методом с помощью трилона Б. 4. Подвижный фосфор, подвижный калий - методом Чирикова (А.С. Радов и др., 1985). Химический анализ почвы в опыте проводили по методикам: 1. Подвижные формы фосфора по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО; 2. Подвижные формы калия по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО; 3. рН солевой вытяжки потенциометрическим методом. 4. Гумус по Тюрину (А.С. Радов и др., 1985).
Химический анализ растительных образцов проводили по следующим методикам: 1. Общий азот - по Кьельдалю; 2. Сырой протеин - расчётным методом; 3. Определение крахмала - поляриметрическим методом; 4. Сахаристость по Бертрану (А.С. Радов и др., 1985); Проводились определения влажности почвы, объёмной массы почвы (Б.А. Доспехов и др., 1977). Макроагрегатный анализ почвы по методу Н.И. Савинова. Микробиологическая активность почвы (Е.З. Теппер и др., 1993). Биологическая урожайность основной и побочной продукции всех культур в севооборотах по принятым методикам (Растениеводство: Практикум, 1996). Определение количества и качества сырой клейковины в зерне, энергии прорастания и способности прорастания, натуры, массы 1000 семян проводились по ГОСТу (Зерно. Методы анализа, 1998). Математическая обработка данных методом дисперсионного анализа (Б.А. Доспехов, 1985). Биоэнергетическую оценку агроэкосистем проводили по методике Е.И. Базарова и Е.В. Глинки (1983). Плодородие тесно связано с процессами превращения, аккумуляции и передачи вещества, что является причиной количественных и качественных изменений факторов и условий плодородия.
Эти изменения могут протекать в благоприятном направлении для развития плодородия и приводить к его повышению (накопление элементов питания, переход их в более доступные для растений формы, улучшение структуры и т. д.), что мы наблюдаем при применении средств биологизации. Но наряду с этим изменения могут идти и в неблагоприятном направлении, приводя к снижению плодородия почвы (вынос элементов питания, закрепление их в недоступные для растений формы, разрушение структуры и т. д.). В данном разделе рассмотрено влияние различных уровней биологизации на некоторые факторы плодородия почвы, а в частности: на агрофизические свойства почвы, на содержание основных элементов питания растений; на реакцию почвенного раствора; содержание гумуса; биологическую активность почвы. Вода является земным фактором жизни растений. Для создания одной весовой части сухого вещества урожая, растения потребляют от 200 до 1000 частей воды, причем только малая ее часть идет на создание урожая, все остальное количество испаряется. Как известно, влага необходима для прорастания семян, без нее не возможны последующий рост и развитие растения. С водой из почвы в растение поступают питательные вещества, испарение воды листьями обеспечивает нормальные температурные условия жизнедеятельности растений. Вода, также является обязательным условием почвообразования и формирования почвенного плодородия. Без нее не возможно развитие почвенной фауны и микрофлоры. Процессы превращения, трансформации и миграции веществ в почве также требуют большого количества воды.
По вариантам опыта, запасы продуктивной влаги в начале вегетации растений ячменя, имели тенденцию увеличения в тех вариантах, где использовали навоз и сидераты. Например, в варианте без применения органических удобрений (1) запас продуктивной влаги в метровом слое почвы составил 257,54, а в 8 варианте 283,15 мм/га Внесение соломы не оказывало существенного влияния на запасы продуктивной влаги в почве (таблица 5).
Биологическая активность почвы
Живые организмы - обязательный компонент почвы. Основная их часть - микроорганизмы. Почвенные микроорганизмы разрушают отмершие остатки растений поступающих в почву, некоторые микроорганизмы усваивают азот атмосферы и обогащают им почву, способствуют перемещению веществ по профилю, перемешиванию органической и минеральной части почвы, некоторые микроорганизмы способны оказывать губительное действие на представителей фитопатогенной микрофлоры. Также почвенные микроорганизмы выделяют в процессе жизнедеятельности различные физиологически активные соединения, способствуют переводу одних элементов в подвижную форму и, наоборот, закреплению других в недоступную для растений форму.
Для оценки деятельности почвенной биоты использовали показатель биологической активности почвы, которую определяли методом льняных полотен (Е.З. Теппер и др., 1993). Недостаток этого метода сводится к тому, что он дает лишь примерную картину биологической активности почвы, для более полного изучения, необходимо использовать другие методы.
Наибольший процент разложения льняного полотна отмечен в варианте, где применяли в системе сидеральную массу и навоз (7, 8), также биологическая активность почвы повышалась в вариантах, где вносили солому. Биологическая активность почвы под культурами севооборотов приведена в таблице 11 и в приложениях 3, 4.
При анализе таблицы, установлено, что под озимой пшеницей, в варианте, где применяли сидерацию совместно с внесением навоза (7), процент разложения льняного полотна выше, чем в других вариантах и под последующими культурами. В вариантах, где вносили только сидеральную массу (3) процент разложения льняного полотна примерно равен этому показателю, в вариантах, где вносили один навоз в занятом пару (5).
Самая низкая биологическая активность отмечена в вариантах, где предшественником озимой пшеницы был занятый пар, что также прослеживается и под остальными культурами. Наибольший процент разложения льняного полотна - 62,6 был в варианте 7 (сидеральный пар + навоз), наименьший - 36,4 по занятому пару.
Под сахарной свеклой (1999 - картофель) наибольшее разложение льняного полотна было отмечено в варианте 8 (навоз + сидерация + солома) - 60,4 %, наименьшее в варианте 1 - 31,7 % (занятый пар). Заметно повышается биологическая активность почвы в вариантах, где вносили солому под сахарную свеклу (картофель) (2, 4, 6, 8), по сравнению с теми вариантами, где ее не вносили.
По сравнению с процентом разложения льняного полотна под озимой пшеницей, этот показатель под сахарной свеклой (1999 - картофелем) несколько ниже. Это объясняется тем, что в зеленых растениях, вносимых в почву в качестве удобрения, и навозе, значительно больше выделяется энергии, необходимой для питания микроорганизмов по сравнению с соломой.
Под-ячменем расхождения по вариантам опыта заметно сглаживаются, и заметно снижается процент разложения льняного полотна, по сравнению с этим показателем под озимой пшеницей и сахарной свеклой. Наибольший процент разложения наблюдается в 8 варианте - 44,7 % (прослеживается последействие навоза, сидератов и соломы), а наименьший в варианте 2 - 32,9 %.
Под естественной экосистемой процент разложение льняного полотна был ниже всех показателей по вариантам и составил в среднем 26,3 %, это можно объяснить тем, что сорные растения произрастающие на залежном участке, имея мощную корневую систему, иссушают верхние слои почвы. В результате чего, снижается влажность в верхних слоях почвы, необходимого фактора жизни почвенных микроорганизмов и из-за снижения этого показателя снижается общая микробиологическая активность почвы под залежью.
Заметно различие в разложении льняного полотна по годам (приложение 3, 4). В 1997 году процент разложения в слое 0-30 см в среднем был выше, чем в 1998 году. Это можно объяснить, тем, что в 1997 году были более благопри ятные условия для функционирования почвенной микрофлоры из-за большего запаса влаги в почве в течение вегетационного периода, по сравнению с 1999 годом, и теплой погоды, что является необходимым фактором для жизнедеятельности почвенных микроорганизмов. В 1999 году в течение нескольких фаз вегетации культурных растений, наблюдалась засуха, что способствовало снижению биологической активности.
Также следует отметить, что наибольшее разложение льняного полотна в 1998 году было в слое почвы 0-20 см, а в 1999 в слое 10-30 см, причем, в 1998 году наиболее активно шло разложение льняного полотна в слое 0-10 см, а в 1999 году в слое 10-20 см. Это можно также объяснить более благоприятными условиями 1998 года, для развития почвенных микроорганизмов.
Исходя из выше изложенного, можно сделать вывод о том, что внесение различных видов органических удобрений, способствует увеличению численности почвенных микроорганизмов (судя по проценту разложения льняного полотна). Это объясняется тем, что для большинства микроорганизмов вносимая в почву органика служит основным источником питания и энергии.
