Содержание к диссертации
Введение
1. Влияние способов возделывания чередований культур и минеральных удобрениина плодородие почвы (обзор литературы ) 8
Экспериментальная часть
2. Постановка вопроса, условия и методика исследований 44
2.1. Почвенные условия
2.2. Методы исследования почвы и учет урожая
2.3. Краткая агрометеорологическая характеристика вегетационных периодов I98I-I983 гг.
3. Емкость поглощения катионов и реакшя почвенного раствора при шительном возделывании культур бессменно и в севообороте 55
3.1. Реакция почвенного раствора
3.2. Изменение емкости поглощения катионов
3.3. Краткое заключение по главе.
4. Содержание гумуса и азота в почве при возделывании культур бессменно и в севообороте 76
4.1. Содержание гумуса в почве
4.2. Содержание общего азота в почве
4.3. Содержание и динамика обменного аммония, нитратного и щелочногидролизуемого азота в почве при возделывании культур бессменно и в севообороте
4.3.1. Динамика обменного аммонийного азота
4.3.2. Динамика нитратного азота
4.3.3. Динамика щелочногидролизуемого азота
4.4. Краткое заключение по главе.
5. Микробные ценозы и биологическая активность почвы при возделывании культур бессменно и в севообороте 122
5.1. Состав и численность отдельных эколого-трофичес-ких групп микроорганизмов
5.2. Нитрифицирующая способность почвы
5.3. Разложение льняной ткани в почве и накопление свободных аминокислот Стр.
5.4. Краткое заключение по главе.
6. Урожай, экономическая эффективность возделывания культур бессменно и при чередовании 149
6.1. Урожай зерна озимой пшеницы по различным предшественникам 6.2. Экономическая эффективность
6.3. Краткое заключение по главе
Выводы 158
Рекомешции по практическому ишользованию результатов 161
Литература
- Методы исследования почвы и учет урожая
- Изменение емкости поглощения катионов
- Содержание и динамика обменного аммония, нитратного и щелочногидролизуемого азота в почве при возделывании культур бессменно и в севообороте
- Нитрифицирующая способность почвы
Введение к работе
Постановлением ХХУІ съезда КПСС "Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" определено увеличить среднюю урожайность зерновых по стране до 21-22 ц/га. Обращалось особое внимание на всемерное повышение плодородия почв на основе применения зональных научно обоснованных систем земледелия.
Выполнение этой многоплановой программы возможно лишь при условии повышения плодородия почв.
Черноземы ЦЧП - наиболее плодородные почвы, расширенное воспроизводство которых должно базироваться не только на их использовании, но также на возмещении использованной части и снабжении агроценозов дополнительными источниками энергии.
В системе агроценоза почва представляет собой подсистему с различными физическими, химическими и биологическими свойствами, которые определяют ее плодородие и являются средой развития растений и микроорганизмов. В отличие от метеорологических факторов, почва представляет собой часть системы, наиболее регулируемой сознательной деятельностью человека.
Свойства почв находятся в зависимости от возделываемых культур, от их биологии, химического состава биомассы, технологии возделывания и пр.
Все изменения, протекающие в почве под влиянием возделываемых культур, связаны, в основном, с изменением процессов биологического круговорота веществ в почве.
При использовании почв в качестве пахотных угодий усиливается вынос элементов минерального питания растений за счет минерализации гумуса. В результате ухудшаются физико-химические свойства, снижается почвенное плодородие.
Возделываемые культуры оказывают прежде всего влияние на содержание и качественный состав гумуса в почве. Поэтому изучение воздействия разных культур и способов их выращивания на трансформацию гумуса имеет не только научное значение, но и необходимо для решения ряда практических задач, направленных на повышение плодородия почв. Поскольку почва является ведущим источником обеспечения растений азотом, познание процессов метаболизма и трансформации азотных соединений при сельскохозяйственном использовании почвы имеет важное значение в земледелии. Содержание гумуса в почве определяет содержание азота. Кроме того, гумусовые вещества оказывают влияние на поглотительную способность и реакцию почвенного раствора. Влияние растений на почву и ее плодородие, наряду с другим, связано с изменением жизнедеятельности микроорганизмов и происходящих в почве биохимических процессов.
Микробиологические исследования являются неотъемлемой составной частью в комплексном исследовании плодородия почв. Значение микроорганизмов определяется их огромной ролью в круговороте веществ.
Одним из важнейших средств повышения урожайности сельскохозяйственных: культур, наряду с севооборотом, является применение минеральных удобрений. Однако, несмотря на огромный рост производства и применения удобрений, химическая промьшленность еще не может удовлетворить полностью запросы сельского хозяйства в азоте и других микроэлементах.
В настоящее время в ЦЧП фактический уровень поставок минеральных туков не превышает 3 ц/га (Минеев, Годунов, 1976). Следовательно, баланс азота в земледелии зоны и урожай сельскохозяйственных культур в значительной степени формируется за счет использования природных запасов гумуса почвы.
В связи с этим приобретает важное значение проблема рационального использования органического вещества почвы. До настоящего времени исследования по вопросам плодородия почв в земледелии Центрального Черноземья были направлены главным образом на изучение содержания и режима питательных веществ почв и их влияние на урожай культур. При современных темпах интенсификации земледелия этой информации недостаточно.
В связи с этим цель наших исследований заключалась в изучении некоторых элементов плодородия чернозема выщелоченного. Основное внимание было сосредоточено на изучении влияния различного чередования сельскохозяйственных культур на агрохимические, физико-химические и микробиологические показатели для оценки почвенного плодородия.
Сказанное определило проведение исследований и решение следующих задач:
Выявить особенности и характер влияния различного способа чередования культур на содержание гумуса в почве;
Установить влияние на кислотно-обменные процессы в почве сложного сочетания способа возделывания культур, их чередования и применения минеральныхх удобрений;
Определить влияние различных чередований культур на процессы динамики и трансформации азотных соединений в почве;
Выявить характер, интенсивность и закономерности в изменении микрофлоры и биологической активности почвы при возделывании ряда культур бессменно и в севообороте;
Дать анализ урожайных данных по озимой пшенице за истекшие десять лет опыта.
Материалом для написания настоящей работы послужили исследования автора , которые были проведены во время аспирантской подготовки на базе стационарного опыта кафедры общего земледелия Воронежского СХИ, начиная с 1981 по 1983 гг.
Планирование и проведение экспериментов велось под руководством члена-корреспондента ВАСХНИЛ, профессора М.И.Сидорова, которому выражаю искреннюю благодарность и признательность за оказанную помощь, ценные советы и замечания, высказанные в процессе работы.
Методы исследования почвы и учет урожая
В постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР "О мерах по дальнейшему развитию сельского хозяйства Центрально-Черноземных районов РСФСР" (1981) предусмотрен ряд мер по дальнейшему подъему сельского хозяйства зоны. В этом постановлении уделяется большое внимание плодородию почвы, что полностью отвечает задачам и целям нашей диссертационной работы.
Она проводилась с 1981 по 1983 годы на стационарном полевом опыте кафедры общего земледелия Воронежского СХИ, заложенном под руководством профессора М.И.Сидорова в 1972 году.
Перед закладкой стационарного опыта в 1970 и 1971 гг. был проведен рекогноетировочный посев ячменя и дробный учет его по вариантам опыта, который, позволил выявить сравнительную идентичность участка, выбранного для опыта. Выделенный участок был разделен на две равновеликие части, на которых осуществлена закладка длительного опыта.
Стационар включает: I - бессменные культуры и поле бессменного пара; 2 - парные комбинации; 3 - короткие севообороты.
Размер опытных делянок - 297 м , учетных - 270 м . Ежегодно вносятся минеральные удобрения, доза которых составляет: под озимую пшеницу - 45 60 60 ПРИ основном внесении и Jf - в подкормку; под ячмень - 75 60 601 под горох - Р50%0 в цистом паРУ 175Р60К60 Отбор образцов проводили начиная с 1981 года на девятый год после закладки опыта по следующим вариантам: 1. Бессменный чистый пар; 2. Бессменная озимая пшеница; 3. Бессменный горох; 4. Бессменный ячмень; 5. Парное чередование озимой пшеницы с черным паром; 6. Парное чередование озимой пшеницы с горохом; 7. Парное чередование озимой пшеницы с ячменем; 8. Озимая пшеница, размещаемая в 4-польном севообороте (черный пар - озимая пшеница - сахарная свекла - ячмень). При изучении эффективного плодородия пробы брали по слоям почвы - 0-20 и 20-40 см. Исследования проводили на вариантах : I) без удобрений; 2) с внесением удобрений. Почвенные образцы отбирали по срокам с апреля по сентябрь.
Все работы по подготовке почвы , посеву и уходу за сельскохозяйственными культурами проводили в соответствии с технологией, принятой в области.
Почвенный покров участка однороден и представлен черноземом выщелоченным среднемощным, тяжелосуглинистым. Несмотря на тяжелый механический состав, эта почва обладает неплохой водопроницаемостью и поверхность пашни не заплывает. Это связано с тем, что выщелоченный чернозем обладает хорошо выраженной микроструктурой. На примере описания одного из разрезов показаны морфологические признаки почвы.
Горизонт А (пахотный) - 0-23-25 см, темно-серый, пылевато-комковато-глыбистой структуры, тяжелосуглинистый, уплотненный, с остатками перепревшей растительности. Переход к А заметный.
Горизонт А (подпахотный) - 23-29 см, темно-серый, светлый, зернисто-комковатый структуры, тяжелосуглинистый, слабоуплотненный, с остатками мелких корешков травянистой растительности, переход к Вj постепенный.
Горизонт Bj - 39-64 см, темно-серый с буроватым оттенком, однородно окрашен гумусом, комковатой структуры, увлажнен, тяжело-суглинистый, плотноватый, с остатками редких корешков, переход постепенный.
Горизонт В9 - 64-83 см, темно-бурый, неоднородной окраски, с широкими и глубокими гумусовыми затеками, крупнокомковатой структуры, влажный,тяжелосуглинистый, плотный, имеются остатки единичных корешков, переход постепенный.
Изменение емкости поглощения катионов
Поступающие корневые и пожнивные остатки озимой пшеницы в условиях слабокислой реакции почвы, разлагаясь при периодически промывном режиме, образуют в основном подвижные ненасыщенные фульвокислоты, активно действующие на почвенно-поглощающий комплекс. Внесение в составе минеральных удобрений аммиачной селитры вызывало повышение кислотности при нитрификации. В слое почвы 0-40 см на удобренном фоне в поглощающем комплексе почвы, судя по величине рН, содержалось в четыре раза больше ионов водорода, чем на неудобренном.
Чередование пшеницы с ячменем не так существенно влияло на кислотность почвенной среды, как их возделывание в бессменной культуре. В составе почвенного комплекса ионов водорода на неудобренном фоне было в 2-3 раза меньше, чем под пшеницей и ячменем, выращиваемых длительное время на одном месте. Ежегодное внесение 75)) П0БЫСИЛ0 показатель рН на 0,3 единицы.
В почвенно-поглощающем комплексе на делянке озимой пшеницы, ежегодно размещаемой по гороху, концентрация ионов водорода соответствовала средне-кислой реакции среды. Это можно объяснить тем, что горох в силу своих биологических особенностей легче усваивает из почвы двухвалентные катионы (кальций, магний), обедняя ими почву и приводя к подкислению почвенной среды. Однако, если бессменная культура действует односторонне, то чередование это влияние ослабляет. Внесение минеральных удобрений практически не изменяло кислотные свойства почвы. Очевидно, растительные остатки и невысокий вынос кальция с урожаем озимой пшеницы способствовали некоторому снижению концентрации ионов водорода.
Смена культур в севообороте также оказывала влияние на кислотные свойства почвы. Здесь это влияние определялось действием четырех культур. В почве черного пара происходила полная минерализация органического вещества растительных остатков. В резуль тате чего кислые продукты подкисляли почву. Это усиливалось также постоянным промыванием почвы осадками, вследствие чего из поч-венно-поглощающего комплекса вымывался растворимый кальций. В севообороте, в период от уборки пшеницы до уборки сахарной свеклы шло разложение растительных остатков озимой пшеницы, в ходе которого выделялись кислые продукты. Ячмень, размещаемый после свеклы, оказывал влияние, сходное с пшеницей.
Тем не менее, увеличение реакции почвенной среды в севообороте было меньше, чем при бессменной культуре. Внесение удобрений в этом варианте увеличило кислотность почвы на 0,3 единицы.
Аналогичная закономерность проявлялась и в изменении рН солевой суспензии (табл. 3.3, 3.4).
К.К.Гедройц (1933) объяснял наличие обменной кислотности присутствием в почве ионов водорода, способных к обмену на катионы нейтральных солей. В настоящее время полагают, что при обменной кислотности в поглощенном состоянии могут находиться не только ионы водорода, но и алюминия.
Наиболее значительно по показателю рНтгрт отличался вариант бессменного черного пара, где интенсивная обработка почвы в течение десяти лет и применение минеральных удобрений повысило обменную кислотность, вызвало значительное подкисление почвенного раствора. Это действие усиливалось постоянным промыванием почвы осадками. Разница между величиной рН водной и солевой суспензии из почвы неудобренной делянки черного пара составила почти единицу (слой почвы 0-40 см). Количество водородных ионов, соответствующее этой величине, может вступать в реакции обмена при наличии в почвенном растворе различных солей.
Судя по разнице актуальной и обменной кислотности в почве под бессменным горохом было больше поглощенных ионов водорода, которые могли бы вступать в реакции обмена. Очевидно, вынос значительного количества кальция с урожаем гороха способствовал повышению обменной кислотности.
На вариантах чередования пшеницы с горохом, паром и в севообороте удалось также обнаружить изменения обменной кислотности как на неудобренных, так и удобренных делянках. Это говорит о том, что длительное возделывание культур при разных способах чередования на фоне с удобрениями и без них сопровождалось усилением или развитием кислотности. По этой причине необходимо обязательное сочетание внесения минеральных удобрений и извести.
Характерным для всех вариантов являлось то, что рН водной и солевой суспензий приобретали большую динамичность по фазам роста и развития растений.
На рис.3 представлены трехлетние данные по изучению режима рН водной суспензии по вариантам опыта. Важно отметить тот факт, что несмотря на различие погодных условий по годам очень резкого варьирования рН не отмечалось.
В весенних образцах почвы (апрель), как правило, показатели рН были ниже, чем в последующие сроки отбора. От весны к осени наблюдалось повышение кислотности (кроме гороха), что связано, вероятно, с активным развитием растений и увеличением количества корневых выделений, которые в большинстве своем состоят из органических кислот. В почве под горохом от посева до уборки наблюдалось снижение кислотности.
Содержание и динамика обменного аммония, нитратного и щелочногидролизуемого азота в почве при возделывании культур бессменно и в севообороте
Благодаря постоянно протекающим в почве процессам мобилизации и иммобилизации, синтеза и деструкции органических соединений, создается многообразие промежуточных и конечных продуктов азота, которые различаются по устойчивости и доступности микроорганизмам и растениям. В связи с этим большое значение приобретает разработка приемов мобилизации и вовлечения в активный круговорот устойчивых форм почвенного азота. Их основное назначение -ускорение трансформации азота в биологическом цикле почва- растение и сохранение оптимального запаса органического азота в почве.
Азот почвы, являясь составной частью гумуса, служит показателем потенциального плодородия почвы. Накопление общего азота в почве агроценоза зависит от ряда факторов, основными из которых являются сельскохозяйственные культуры и применяемые агротехнические мероприятия - чередование культур, удобрения и т.д.
Смена культур в севообороте, систематическое отчуждение с урожаем части синтезированного растениями органического вещества, содержащего минеральные элементы, не может не сказаться на содержании в почве общего азота. Количественное изменение общего азота, как правило, находится в тесной зависимости от содержания общего количества гумуса.
Методом Кьельдаля определяется в основном органический азот, поэтому полученные данные позволяют характеризовать органическое вещество почвы с точки зрения количественного содержания в нем азота. Органические азотсодержащие соединения составляют основную долю в балансе почвенного азота и практически недоступны растениям без предварительной минерализации, которой поддается обычно не более 1-3% соединений (Шмук, 1950; Бремнер, 1968). Устойчивость азота органических веществ - положительное свойство, позволяющее почве консервировать запас важнейшего элемента и, следовательно, предотвращать его непроизводительный расход.
В таблице 4.2 приведено содержание азота в почве под культурами при различных способах их возделывания.
Выщелоченный чернозем по содержанию общего азота, а также по характеру его распределения в пахотном и подпахотном слоях почвы существенно отличается по вариантам опыта. Граница резкого понижения содержания азота совпадает с характером распределения гумуса.
Для всех изучавшихся вариантов характерно снижение содержания азота с глубиной,в подпахотном слое почвы азота меньше, чем в пахотном.
Сопоставление полученных данных по содержанию общего азота под бессменной культурой и севооборотом с аналогичными данными (Гринченко и соавт., 1970; Лыков, 1976) показало, что и черноземам и дерново-подзолистым почвам свойственно снижение количества общего азота в зависимости от способа возделывания культур.
Анализ распределения общего азота по вариантам опыта на удобренном и неудобренном фоне, по слоям почвы выявляет характерные особенности влияния способа возделывания на этот показатель.
Сравнивая варианты между собой, следует отметить, что минимальное содержание общего азота было на неудобренном фоне бессменного черного пара. Путем ежегодного внесения 75 кг/га мине рального азота в составе JfFK не удалось остановить потери азота из почвы. Очевидно, отсутствие свежей органической биомассы в виде пожнивных остатков препятствовало закреплению азота минеральных удобрений в почве. С другой стороны, длительное парование почвы вызывает сильное ускорение минерализации азотсодержащих органических веществ, в результате чего снижается содержание общего азота.
Наличие больших непроизводительных потерь азота из почвы при длительном паровании отмечалось ранее многими исследователями (Соколов, 1963; Егоров, 1972; Лыков, 1972).
Изучение содержания общего азота в почве под бессменными зерновыми (озимая пшеница, ячмень) и зернобобовыми (горох) показало разный характер их влияния на этот показатель.
Отрицательное воздействие бессменной культуры особенно резко проявилось на двух зерновых культурах, тогда как влияние бессменного гороха было несколько меньше.
Нитрифицирующая способность почвы
Нитрификация - процесс окисления аммонийного азота до нитратного. Этот процесс отражает биологическое состояние почвы, уровень и развитие процессов минерализации.
Нитрификация характеризует уровень формирования эффективного плодородия почвы. Нитратная форма почвенного азота является наиболее лабильной. Количество нитратного азота изменяется во времени.
Многими исследователями были вскрыты основные особенности поведения нитратов в почве в зависимости от тех или иных агротехнических приемов.
В ЦЧП на выщелоченных черноземах условия азотного питания растений и режима нитратов в зависимости от способа чередования культур отражены не полно.
Возделываемые в агроценозах культуры оказывают неодинаковое влияние на процессы второй фазы минерализации. Наблюдения за содержанием нитратного азота в почве под культурами, возделываемьми бессменно и при чередовании, с применением минеральных удобрений и без них показали, что накопление этой формы прежде всего определяется содержанием гумуса и общего азота. Вынос растениями азота с урожаем приводит к обеднению почвы нитратами. Минимальное количество нитратов оставалось в почве после бессменной культуры ячменя, озимой пшеницы (табл.4.5, табл.П.9,10,II). Это связано с разной биологической активностью под культурами, возделываемыми при различных чередованиях.
Содержание нитратного азота значительно колебалось по годам. Колебания в содержании нитратного азота по каждому варианту определялись группой факторов, в их числе погодные условия. При неблагоприятной температуре и влажности процесс нитрификации сдерживался.
Растения оказывают значительное влияние на распределение нитратного азота по слоям почвы. Интенсивное потребление азота вегетирующими растениями приводит к снижению запасов нитратов по слоям почвы. Поэтому в зависимости от способа возделывания культур количество нитратного азота сильно варьирует. По вариантам опыта содержание нитратного азота в годы исследований было динамично. Наряду с накоплением нитратного азота за счет текущей нитрификации, одновременно происходило обеднение его запаса в результате потребления растениями и микрофлорой, потерь вследствии де-нитрификации и во влажные годы - поверхностного стока. Количество нитратного азота в почве опытных вариантов в течение вегетации сильно варьировало в зависимости от направленности процессов нит-ратообразования.
Наблюдения за динамикой содержания нитратного взота под бессменными культурами на черноземе выщелоченном показали, что максимальное накопление нитратного азота было в почве парового поля. Как показали исследования, после десяти лет парования в слое почвы 0-40 см содержалось от 14 до 30 мг irOg-If в I кг почвы. Количество его возрастало от весны к осени. Резкий подъем нитра-тообразования в почве бессменного пара наблюдался обычно в увлажненную вторую половину лета (июль-август). На рис.б представлены трехлетние данные по изучению режима нитратного азота под бессменным паром.
Применение минеральных удобрений оказывало влияние на режим нитратного азота, содержание которого пропорционально возрастало. Особенно ярко выделялся в этом плане 1982 год. Внесение в почву пара дополнительного источника питания и энергии в виде минеральных удобрений несколько сокращало потери гумуса и азота из почвы.
На неудобренной длительное время паровавшей делянке, нитраты образуются за счет органического вещества самой почвы.
