Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Влияние элементов системы земледелия на показатели потенциального плодородия почвы 14
1.1. Изменение содержания и качества органического вещества по агроклиматическим зонам страны 14
1.2. Влияние биологических особенностей культур севооборота на изменение почвенного плодородия 22
1.3. Влияние способов основной обработки на плодородие почвы 32
1.4. Влияние удобрительных средств на плодородие почвы 49
ГЛАВА 2. Объекты, методы и условия исследований 61
2. 1. Объекты и методы проведения исследований 61
2.2. Агроклиматические условия проведения полевых опытов 62
ГЛАВА 3. Влияние агротехнических приёмов на воспрпоизводство плодородия почвы 73
3.1. Содержание и качество гумуса 73
3.2. Содержание азота 86
3.3. Нитрифицирующая способность почвы 92
3.4. Содержание фосфора 100
3.5. Содержание калия 107
3.6. Гидролитическая кислотность 115
3.7. Сумма поглощённых оснований 123
ГЛАВА 4. Влияние элементов системы земледелия на продуктивность и качество культур севооборота 131
4.1. Урожайность и качество сельскохозяйственных культур 131
4.2. Продуктивность севооборотов 187
5.1. Экономическая эффективность 195
5.2. Биоэнергетическая эффективность 2
- Влияние биологических особенностей культур севооборота на изменение почвенного плодородия
- Влияние удобрительных средств на плодородие почвы
- Агроклиматические условия проведения полевых опытов
- Нитрифицирующая способность почвы
Влияние биологических особенностей культур севооборота на изменение почвенного плодородия
Образование чернозёмов проходило под влиянием целого комплекса факторов - почвообразующих пород, растительности, климата, рельефа и деятельности человека. [37; 77; 78; 79; 80; 126; 206; 207; 277].
Разнообразие почв определяется возрастом. Принято считать, что формирование лесостепи произошло в период древнего голоцена, когда после схода ледника образовались многообразные болотные почвы, а затем луговые [58; 125; 126; 127; 268].
В последние два века при массовом развитии земледелия основным фактором почвообразования является хозяйственная деятельность человека, которая характеризуется, прежде всего, ростом интенсивной распашки почв, уничтожением многообразной естественной растительности и возделыванием большого количества полевых культур, применением высоких доз удобрительных средств, мелиорантов и пестицидов, орошением богарных и осушением заболоченных почв и т.п. При сложившемся уровне земледельческой культуры происходит распыление пахотного слоя, его уплотнение, уменьшение содержания гумуса, суммы поглощённых оснований, повышение кислотности, засоление, заболачивание, ухудшается пищевой режим, усиливаются процессы эрозии и т.д. Всё это снижает уровень эффективного и потенциального плодородия и является причиной падения урожаев [3; 4; 63; 64; 253; 284; 285]. В своё время патриархом российского почвоведения В.В. Докучаевым было сказано: «... нет таких цифр, которыми можно было бы измерить силу и мощь почв нашего русского чернозёма. Он был, есть и будет кормильцем России» [251].
В настоящее время в Центрально-Чернозёмном регионе тучные чернозёмы ( 9% гумуса) составляют 0,2% от общей площади чернозёмных почв, среднегумусные (6-9% гумуса) - 47,0%, малогумусные (4-6% гумуса) - 45,8%, на долю слабо и очень слабо гумусированных (1,2-4%) приходится 7% чернозёмного фонда [99]. Необходимо отметить, что почвенное органическое вещество не тождественно гумусу, хотя эти понятия часто отождествляют. Принято подразделять органическое вещество на легко разлагаемую (активную) и более устойчивую к биодеградации (пассивную) фракции. В первую входят быстро минерализуемые биохимические соединения, в том числе гумусной природы, которые активно используются микробными сообществами как источники углерода и энергии. Пассивная фракция в основном представлена гуминовыми веществами [305].
В составе органического вещества почвы принято выделять неразложившиеся растительные и животные остатки, промежуточные продукты разложения (детриты) и собственно гумусовые кислоты [93].
Потеря части гумуса при сельскохозяйственном использовании -неизбежный процесс, а задача земледельца в том, чтобы не допустить слишком большой дегумификации, в особенности лабильной части органического вещества.
Однако с флуктуациями органического вещества в почве не так всё просто. Нередко констатация факта убыли гумуса становится заложницей пропаганды, не имеющей под собой научного обоснования и экспериментального подтверждения. Буквальное сравнение результатов Докучаевской экспедиции в Центрально -Чернозёмные области с фактическим состоянием чернозёмов в настоящее время некорректно [312]. Так, в те времена в западной части ЦЧЗ на пашне содержание гумуса составляло 5,48%, а теперь в этих реперных точках содержание гумуса достигло 5,55%. Естественно, на целине (натуральная степь) гумусированность почв была значительно выше, а при распашке целины происходит интенсивная минерализация органического вещества. В 1880 году П.А. Костычев определил в чернозёме Хреновского лесничества (Воронежская область) в слое 0-15 см 9% гумуса, а в 1986 году повторное определение в этой точке показало 7,59%, то -есть, убыль почти за 100 лет составила около 16%, но никак не 60% [312].
Известно, что использование почвы для возделывания сельскохозяйственных культур сдвигает динамическое равновесие между новообразованием гумуса и его разложением. A.M. Гринченко с соавторами наблюдали на чернозёмных почвах потери гумуса из верхнего слоя при сельскохозяйственном использовании целинных чернозёмов, в то время как содержание его в нижележащих горизонтах сохранилось на исходном уровне при более чем 100 -летней распашке [62].
В Центрально - Чернозёмной зоне также имеются результаты длительных репрезентативных наблюдений, позволяющие утверждать, что убыль гумуса при распашке целины происходит, в основном, в верхних слоях почвы. Так, содержание гумуса на пашне в слое 0-10 см было меньше, чем на целине, а в более глубоких слоях больше [155].
По данным А.П. Щербакова с 1950 по 1981 год убыль гумуса по ЦЧЗ составила 0,3% или около 1 тонны в год в пахотном слое. Автор утверждает, что нужны «принципиально новые представления об использовании минеральных удобрений, они должны решать не только вопросы обеспеченности растений элементами питания, а, прежде всего, создавать условия оптимизации круговорота веществ и потоков энергии в агроэкосистемах и оказывать активное положительное влияние на интенсификацию почвообразовательного процесса, способствовать устойчивому функционированию агроэкосистем» [378].
Причины снижения содержания гумуса при освоении целины - уменьшение количества растительных остатков после уборки урожая, изменение качественных показателей зольного обмена в системе «почва - растение», смена микро - и мезофауны почвы. Убыль происходит наиболее заметно в верхних горизонтах, а в подпахотных она мало заметна. Содержание гумуса в чернозёме стабилизируется как в экосистеме на определённом уровне, а затем дегумификация не представляет угрозы.
Например, в Воронежской области, содержание гумуса в пахотном слое чернозёма типичного в первом туре, как и в третьем, составило в среднем 5,65%. В Тамбовской области содержание гумуса в пахотном слое чернозёма типичного достигало 6,5%, а в Белгородской аналогичный показатель составил 4,9%. В Липецкой области в первом туре содержание гумуса в пахотном горизонте составляло 6,1%, а в третьем - 6,0% [312].
Более поздние определения гумуса в почвах Белгородской области показали, что в четвёртом цикле агрохимических обследований гумусированность пахотного слоя составляла 4,9%, а в восьмом - 5,0%, то - есть, различия находятся в пределах ошибки наблюдения и обе выборки следует отнести к одной генеральной совокупности [166; 337].
В то же время ряд исследователей приходят к выводу, что и в настоящее время происходит заметное обеднение чернозёмов органическим веществом. Так, А. П. Щербаков утверждает, что нерациональная интенсификация, агрогенная и техногенная эксплуатация земель в течение последних десятилетий вывела из состояния экологического оптимума большие площади чернозёмов и серых лесных почв [381].
Влияние удобрительных средств на плодородие почвы
Агротехника возделывания культур в опыте общепринятая для агропромышленного комплекса Центрально-Чернозёмной зоны, набор сельскохозяйственных орудий - серийный.
Почва опытного участка - чернозём типичный среднемощный малогумусный тяжёлосуглинистый на лёссовидном суглинке с содержанием в пахотном слое 5,18-5,32 % гумуса, 52-58 мг/кг подвижного фосфора и 95-105 мг/кг почвы обменного калия, рНсол. - 5,8-6,4.
Пятипольные севообороты в структуре посевных площадей имели различную насыщенность пропашными культурами: 20% в зернотравяном, 40% - в зернопропашном, 60% - в зернопаропропашном (табл. 2.1.1). В опыте изучали три способа основной обработки почвы - вспашку, безотвальную и минимальную, три системы удобрения - органическую, минеральную и органо-минеральную с тремя уровнями удобренности (без удобрений, одну и две дозы удобрений и их комбинации).
Вспашка предусматривала отвальное рыхление верхнего слоя почвы в зависимости от возделываемой культуры на глубину 22-32 см. Безотвальная обработка проводилась на ту же глубину, только без оборота пласта почвы плугом «Параплау». При минимальной обработке рыхление осуществляли на глубину 10-12 см дисковой бороной.
Из органических удобрений вносили навоз один раз за ротацию севооборотов под сахарную свёклу в одной дозе (40 т/га) и двойной (80 т/га) - по 8 и 16 тонн на гектар севооборотной площади.
Минеральные удобрения вносили ежегодно. Одинарная доза удобрений (10-90 кг/га д.в.) рассчитана на простое воспроизводство почвенного плодородия, а двойная доза (20-180 кг/га) - на расширенное.
В полевом опыте при возделывании сельскохозяйственных культур высевали районированные сорта и гибриды культур: озимая пшеница - Одесская 267 и Синтетик; ячмень - Гонар и Хаджибей; горох - Орловчанин и Орлус; сахарная свёкла - Льговская односемянная; кукуруза - Тосс 223 и Белкорн 250. Применяли следующие гербициды: под зерновые Секатор, Дифезан, Базагран; под сахарную свёклу Бетанал, Лонтрел, Пантера; под кукурузу Харнес, Трофи, Милагро в рекомендованных дозах. Из инсектицидов использовали: Децис, Би-58, Карате.
Определяли агрохимические и физикохимические свойства почвы. Учёт урожая - поделяночный с последующим определением качества продукции.
Среднегодовая температура воздуха в западном агроклиматическом районе Белгородской области, где заложен полевой опыт, составляет 5,9 - 6,3 , сумма положительных температур выше 10 составляет 2510 - 2620 . Годовая сумма осадков 490-540 мм, в том числе за период с температурой выше 10 - 260-290 мм. Запасы продуктивной влаги в слое 0-100 см к началу вегетационного периода d среднем составляют 150-170 мм [213].
Распределение атмосферных осадков зимой составляет 19 %, весной - 22, летом - 36 и осенью - 23 % от общей годовой величины. Летние осадки часто выпадают в виде ливней высокой интенсивности [372; 373; 376]. При наблюдениях за погодными условиями отмечали атмосферные осадки, среднесуточные температуры воздуха, на основе которых рассчитывался гидротермический коэффициент (ГТК), как интегральный показатель условий вегетации культур.
Период активной вегетации яровых зерновых и многолетних трав в климатических условиях Белгородской области составляет четыре месяца (апрель-июль); период вегетации озимой пшеницы складывается из двух месяцев предыдущего года (сентябрь-октябрь) и четырёх месяцев следующего (апрель-июль). Для сахарной свёклы вегетационный период включает шесть месяцев (апрель-сентябрь), а кукурузы пять месяцев (апрель-август). За эти вегетационные периоды учитывалось и суммарное количество выпавших осадков и среднесуточные температуры воздуха.
Погодные условия (температурный и водный режимы) в годы проведения исследований (1988-2011) складывались по-разному и довольно контрастно (табл. 2.2.1- 2.2.3, прилож. 3, 4). Среднесуточная температура воздуха в течение вегетационного периода (апрель-сентябрь) колебалась в пределах 14,3 -20,0 при среднемноголетнем показателе 15,30; количество осадков колебалось также со значительной амплитудой (137-467 мм) при среднемноголетнем показателе 275 мм; гидротермический коэффициент - в пределах 0,4-1,7 единиц при среднемноголетней величине 1,00. Статистическая обработка климатических параметров показывает, что с течением времени количество осадков уменьшается, повышается сумма активных температур и снижаются показатели гидротермического коэффициента (рис. 2.2.1). Иными словами, тренд погоды указывает на усиление аридизации региона.
Агроклиматические условия проведения полевых опытов
Содержание гумуса после прохождения четырёх ротаций изменялось в соответствии со всеми задействованными ресурсами (табл. 3.1.1). При этом, влияние факторов прослеживалось до полуметровой глубины. Количество гумуса уменьшается на всех вариантах в направлении от зернотравянопропашного севооборота к зернопаропропашному и с глубиной влияние типа севооборота усиливается.
Влияние вида основной обработки на содержание органического вещества выражается в усилении процесса гумификации при безотвальных и минимальных обработках. И эта закономерность усиливается с увеличением степени удобренности как навозом, так и промышленными удобрениями.
Однозначно можно констатировать положительное влияние органических удобрений на содержание гумуса на всех глубинах, на всех обработках и во всех севооборотах. Действие минеральных удобрений неоднозначно и в значительной мере определяется набором культур.
Если в севообороте с многолетними травами содержание гумуса возрастает с ростом доз минеральных удобрений на всех фонах с навозом, то в зернопропашном севообороте и в севообороте с чистым паром, севооборотах на безнавозном фоне имеет место некоторое увеличение количества гумуса - от одинарных доз и уменьшение от двойных (рис. 3.1.1).
По всей вероятности, в данном случае проявляется влияние культур, оставляющих после уборки различное количество пожнивно-корневых остатков. Доминанта остаётся за зернотравянопропашным севооборотом с двумя полями многолетних бобовых трав. Меньше обеспечен остаточной органикой зернопропашной севооборот и минимум органического вещества в Таблица 3. 1.1.
Общеизвестно, что направленность процессов гумификации/минерализации довольно жёстко регламентируется соотношением C:N в субстрате: если оно больше 20-25, происходит гумификация, при меньшем - преобладает минерализация. Поэтому увеличение доз минеральных удобрений в севообороте с травами лишь усиливает образование органического вещества, а в севообороте с 20% чистого пара имеет место усиление минерализации. Что касается динамики гумуса во временном цикле, то здесь основным регулятором является севооборот. В зернотравянопропашном севообороте при всех комбинациях изучаемых факторов имеет место прирост гумуса, в двух других севооборотах содержание гумуса возрастает только при условии внесения на гектар 8 тонн навоза и единичной дозы минеральных удобрений. И если различия по блокам, строго говоря, не всегда достоверны, то между крайними севооборотами (1-й и 3-й) они существенны на всех удобренных фонах (рис. 3.1.2).
Способ основной обработки почвы также способствовал достоверным изменениям гумуса в верхнем (пахотном) слое - меньше гумуса содержится при вспашке и больше при мелкой обработке. И эта закономерность возрастает при усилении обеспеченности севооборота органическими удобрениями. Например, если различия по этому показателю между вспашкой и минимальной обработкой составляли 13%, то при внесении 16 т/га навоза - 18%. Способ основной обработки почвы и в какой-то степени тип севооборота оказывают влияние на распределение гумуса по глубине почвенного профиля, что немаловажно в зоне недостаточного увлажнения.
Так, если на вспашке долевое участие всех трёх обработок в слое 0-10 см одинаковое, то в слоях 10-20 и 20-30 см превалируют безотвальная обработка и минимальная (рис. 3.1.3). В подпахотном же горизонте однозначно большее количество гумусовых веществ аккумулируется по вспашке.
Значительное влияние на распределение органического вещества по глубине почвенного профиля оказывает тип севооборота, что связано, в первую очередь, с типом корневой системы культур и с проникновением её в глубину. Если у зерновых культур, к примеру, корневая система мочковатая и сосредоточена преимущественно в поверхностном слое, то у многолетних трав, в особенности бобовых, она проникает на большую глубину.
В этой связи следует отметить, что после прохождения четырёх ротаций в зернотравянопропашном севообороте содержалось в слое 0-30 см 20,9-22,4 % гумуса к слою 0-50 см, в то время как в двух других севооборотах - 26,3-28,0 %. В то же время в слое 30-50 см в первом случае находилось 17,5 % гумуса, а во втором в два раза меньше.
Показатели верификации процесса распределения гумуса по глубине в четвёртой ротации свидетельствуют, что по сути дела на всех глубинах этот процесс существенен, за исключением глубины 30-50 см, где фактический критерий Фишера меньше табличного (табл. 3.1.3). При этом влияние севооборота и удобрений больше сказывается в нижнем слое почвы, а обработки почвы - в верхнем.
Экспериментальные данные хорошо согласуются с уровнем тесноты связи и с долевым участием изучаемых факторов и локализацией гумуса по глубинам. Так, на всех исследуемых глубинах коэффициент корреляции с севооборотом отрицательный и существенный на 1 %-ном уровне значимости, а обработкой -положительный.
Например, коэффициент корреляции между содержанием гумуса и видами основной обработки почвы колебался в пределах 0,13-0,24, а между типом севооборота и гумусом - в пределах 0,56-0,60 с отрицательным знаком.
Весьма сильное влияние на всех исследуемых глубинах оказывают органические удобрения, в то время как доказуемое влияние на общепринятом в биологии уровне минеральные удобрения оказывают лишь в глубоких слоях. Такую закономерность можно объяснить неоднонаправленным действием промышленных удобрений на поведение гумуса в связи со спецификой севооборота; где то они способствуют повышению этого показателя, а где купируют или даже снижают его.
Нитрифицирующая способность почвы
Сахарная свёкла. Сахарная свёкла возделывается в трёх севооборотах - в типичном зернопропашном с 40% пропашных и 60% зерновых культур, в севообороте с многолетними травами и в зернопаропропашном севообороте (табл. 4.1.1). В первой ротации, когда влияние структуры на динамику урожайности свёклы, которой входили в севообороты, ещё не сказалось, в среднем по всем трём севооборотам получена одинаковая урожайность, как на контроле, так и в целом по блокам севооборотов.
Если сравнивать продуктивность культуры по способам обработки почвы, то наиболее высокая урожайность получена по глубокой обработке - отвальной и безотвальной. Снижение продуктивности от мелкой обработки достоверно на 5%-ном уровне значимости. В четвёртой ротации ввиду неблагоприятных погодных условий конца лета продуктивность свёклы была ниже во всех трёх севооборотах, однако влияние изучаемых факторов проявилось довольно отчётливо (табл. 4.1.2).
И если на абсолютном контроле различия между обработками почвы и севооборотами могут квалифицироваться как тенденциозные, то на удобренных делянках и в целом по блокам преимущество вариантов с глубоким рыхлением статистически состоятельно.
За двадцать лет четырёх ротаций преимущество глубоких основных обработок почвы проявилось довольно представительно, в особенности при внесении удобрений. Например, если на варианте без удобрений различия между глубокими обработками и минимальной обработкой составляли 1,2-2,7 т/га, то на варианте с двойной дозой навоза и минеральных удобрений - 4,9 т/га.
И в целом по блоку, представляющему виды основных обработок почвы, это преимущество подтверждается статистическими критериями на требуемом уровне значимости (табл. 4.1.3).
Отрицательное влияние мелкого рыхления имеет место и на вариантах без внесения удобрительных средств, и на высоком удобрительном фоне, в среднем по всем вариантам. Органические и минеральные удобрения обеспечили высокие прибавки урожаев корнеплодов, при этом частные различия между дозами статистически подтверждаются на требуемом в биологии уровне.
Более чёткое представление даёт группировка результатов по блокам (рис. 4.1.1, 4.1.2). В первой ротации практически все способы обработки почвы равноценны и если есть какие-то изменения, то они объясняются естественным варьированием. В четвёртой ротации фактор обработок довольно заметно усиливается, и в среднем за четыре ротации целесообразность применения глубоких обработок почвы не вызывает сомнений.
Эффективность фактора севооборотов менее очевидна: в первой ротации все севообороты равноценны применительно к продуктивности свёклы, в четвёртой ротации проявляется эффективность севооборотов с травами и с чистым паром, и в среднем за четыре ротации по урожайности выделяется зернотравянопропашной севооборот.
Показатели верификации свидетельствуют о существенности дисперсий всех изучаемых факторов в среднем за четыре ротации севооборотов (табл. 4.1.4). Парные и тройные сочетания несущественны за исключением комплексного взаимодействия навоза и минеральных удобрений. По долевому участию безусловным лидером являются минеральные удобрения, затем идёт навоз. Севообороты и способы основной обработки почвы влияют на урожайность на порядок слабее.
Представляет большой теоретический в практическом применении интерес временная динамика поведения урожайного ресурса сахарной свёклы на различных фонах минерального питания. Если на абсолютных контролях от первой ротации к четвёртой имеет место снижение продуктивности сахарной свёклы по всем способам основной обработки почвы, то с повышением удобрительного фона падение урожайности по безотвальному и минимальному способу идёт более интенсивно. При совместном внесении навоза и минеральных удобрений имеет место увеличение урожайности, в то время как по безотвальному рыхлению и, в особенности по минимальной обработке, урожай свёклы снижается особенно сильно (рис. 4.1.3).
Что касается различных севооборотов, то тренд свидетельствует о падении продуктивности сахарной свёклы по всем трём севооборотам, независимо от их структуры, однако к четвёртой ротации некоторое преимущество, как тенденцию, по урожайности имеют зернопропашной и зернопаропропашной севообороты. Различия в продуктивности севооборотов сглаживаются с повышением уровня минерального питания и становятся несущественными.
Сахарная свёкла выращивается главным образом для получения сахара и поэтому окончательно судить о её агротехнике можно лишь с учётом сахаристости корнеплодов. Данные приложения 3 показывают, что без внесения удобрений некоторое преимущество по содержанию сахара в корнеплодах в четвёртой ротации имеет зернопаропропашной севооборот.
С внесением навоза и минеральных удобрений снижение сахаристости в севообороте с многолетними травами усиливается и в среднем по блокам севооборотов. Зернопропашной и зернопаропропашной севообороты превышают по содержанию сахара в корнеплодах севооборот с травами с вероятностью 99% . Содержание сахара в своём большинстве увеличивается в направлении вспашка-минимальная обработка и различия между предельными значениями достоверны.
Минеральные удобрения в среднем по трём обработкам почвы снижают сахаристость, а влияние органических удобрений зависит от типа севооборота. В севообороте с многолетними травами они несколько снижают этот показатель, в двух других севооборотах увеличивают и тем сильнее, чем выше доза.