Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. История вопроса 7
Глава 2. Условия и методика проведения опыта 24
2.1. Климат и погодные условия 24
2.2. Почвы 32
2.3. Методика исследований 35
Глава3. Влияние длительного применения минеральных удобрений на плодородие южного чернозема 40
3.1. Гумус почвы 40
3.2. Общий и минеральный азот 52
3.3. Общий и доступный фосфор 63
3.4. Обменный калий 72
3.5 Биологическая активность 77
Глава 4. Вынос и баланс питательных веществ 84
4.1. Вынос элементов питания 84
4.2. Баланс питательных веществ 91
Глава 5. Влияние минеральных удобрений на продуктивность севооборота, урожай и качество зерновых культур 104
5.1. Урожайность культур севооборота 104
5.2. Продуктивность севооборота 111
5.3. Качество урожая 116
Глава 6. Экономическая оценка изучаемых систем минеральных удобрений 120
Выводы и предложения производству 137
Список ли і ературы 140
Приложения 162
- Методика исследований
- Общий и доступный фосфор
- Баланс питательных веществ
- Экономическая оценка изучаемых систем минеральных удобрений
Введение к работе
Актуальность темы. Длительное отчуждение питательных веществ из почвы с урожаями сельскохозяйственных культур без существенной компенсации, разрушительное действие антропогенных и эрозионных процессов привели к существенному снижению почвенного плодородия. По данным длительного почвенного мониторинга в черноземах Саратовской области за время их сельскохозяйственного использования содержания гумуса уменьшилось на 50 % (Медведев И.Ф., 2000). Следствием такого положения стало заметное ухудшение физических, химических, физико -химических и агрономических свойств сельскохозяйственных угодий, что тормозит рост урожайности и стабилизацию производства зерна и кормов.
В комплексе приемов по сохранению плодородия почвы ведущая
роль принадлежит удобрениям. Однако, при оценке минеральных удобрений
как фактора регулирования почвенного плодородия (в отличие от
органических), в научной литературе высказываются прямо
противоположные точки зрения. Наиболее объективную оценку их эффективности можно получить в длительных стационарных опытах. Недостаточность, а по многим вопросам и полное отсутствие таких работ в зоне черноземных почв и определяют актуальность выбранного направления исследований.
Цель исследований: изучить влияние длительного применения минеральных удобрений на основные показатели плодородия чернозема южного и определить оптимальные их дозы для шестой ротации зернопарового севооборота.
Задачи исследований:
- определить влияние минеральных удобрений на содержание гумуса
и динамику его фракций;
- изучить содержание валовых и доступных форм питательных
веществ в условиях длительного применения минеральных удобрений;
- выявить влияние минеральных удобрений на биологическую
активность почв;
установить размер выноса питательных веществ в зернопаровом севообороте, оптимальный баланс и уровень их возврата;
определить влияние минеральных удобрений на продуктивность культур зернопарового севооборота и качество урожая;
- дать экономическую оценку изучаемых систем удобрений.
Научная новизна. Впервые на южном черноземе Поволжья в
стационарных условиях изучено изменение агрохимических и биологических свойств почвы после 36 - летнего применения минеральных удобрений. Расширены и углублены знания о пищевом режиме чернозема южного под зерновыми культурами. Уточнены размеры выноса питательных веществ и рассчитаны их балансы. Получены имеющиеся несомненную научную новизну сведения о продуктивности зерновых культур в шестой ротации зернопарового севооборота.
Практическая значимость. Дано научное обоснование оптимальным дозам минеральных удобрений для зернопаровых севооборотов, которые позволяют повысить на южных черноземах засушливого Поволжья урожай озимой пшеницы по чистым парам на 0,44 т/га, яровой пшеницы - 0,78 т/га, проса - 0,92 т/га, ячменя - 1,31 т/га, овса -0,89 т/га. Полученные результаты представляют интерес для хозяйств различных форм собственности, работающих в зоне степей, и проектных организаций.
Основные положения, выносимые на защиту:
Длительное применение минеральных удобрений не позволило получить положительный баланс гумуса,
Положительный баланс азота в шестой ротации зернопарового севооборота на черноземе южном возможно получить при внесении N52P13 на 1 га севооборотной площади.
3. За шестилетнюю ротацию зернопарового севооборота максимальную прибавку урожая (0,74 т/га по отношению к контролю) обеспечивает внесение на 1 га севооборотной площади N35P13.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на ежегодных совещаниях технологического центра ГНУ НИИСХ Юго - Востока (Саратов, 2000-2005 гг.), ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава СГАУ им. Н.И. Вавилова (Саратов, 2004 - 2006 гг.); Всероссийской научной конференции «Вавиловские чтения - 2003» (Саратов 2003 г.); международной научной конференции «Повышение устойчивости биоресурсов на адаптивно - ландшафтной основе» (Оренбург, 2003 г.); Международной научной конференции по использованию органических удобрений и биоресурсов в ландшафтном земледелии (Владимир, 2004 г.); на Всероссийских Докучаевских молодежных чтениях (Санкт - Петербург, 2004 г.).
Реализация результатов исследований. Материалы диссертации используются при чтении курса лекций по агрохимии в СГАУ им. Н.И. Вавилова. Производственное испытание полученных результатов проведено в 2004 и 2005 гг. в экспериментальном хозяйстве ГНУ НИИСХ Юго -Востока на площади 50 га.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7 работах.
Степень личного участия. Исследования, изложенные в работе, автор проводил с 2000 по 2006 гг. в стационарных опытах, заложенных w> профессором М.П. Чуб и её сотрудниками. Они же предоставили исходные данные по этому опыту, который был заложен в 1968 году. Анализы почвенных и растительных образцов проводились сотрудниками лаборатории массовых анализов НИИСХ Юго-Востока. Все остальные работы выполнены соискателем лично.
Автор выражает глубокую признательность научным сотрудникам ГНУ НИИСХ Юго-Востока, а также всем коллегам, оказавшим помощь в проведении эксперимента.
Методика исследований
Исследования проводили в стационарном опыте, который заложен в 1968г. Он расположен на плакорно - равнинном элементе агроландшафта. Закладку опыта осуществляли под руководством проф. М.П. Чуб научные сотрудники лаборатории агрохимии. Наши исследования в этом опыте проводились с 2000 года. До этого времени, было выполнено пять ротаций зернопарового шестипольного севооборота. Количество и виды удобрений, которые применялись в севообороте на вариантах, где мы проводили сопутствующие наблюдения и исследования, показаны в табл. 5. Дозы удобрений, их виды и распределение между культурами севооборота в течение шестой ротации показано в табл. 6. Там же приводится и принятое в севообороте чередование культур. Минеральные туки применяли осенью под зяблевую вспашку. Вносили аммиачную селитру и двойной гранулированный суперфосфат. Размер опытных делянок - 235 - 300 м2, их расположение - рендоминизированное. Опыт развернут на трех полях, вхождение полей в ротацию последовательное. Указанные удобрения вносили в шестой ротации зернопарового севооборота. Поскольку на их эффективность оказывали влияние ранее внесённые (в течение пяти ротаций) удобрения, то мы обязаны были учитывать это обстоятельство и при анализе полученного материала пользовались результатами ранее проведённых исследований. Мы глубоко благодарны профессору М. П. Чуб, кандидату с.х. наук Н.В. Потатуриной и научному сотруднику Н.И. Никаноровой за представленную возможность использования результатов исследований, проведённых до 2000 года при анализе полученных нами результатов.
В опытах проводились следующие наблюдения и исследования: 1. Содержание подвижных форм элементов питания. Образцы почвы отбирались с двух не смежных повторностей из трёх точек в слоях 0 - 20 и 20 - 40 см. В образцах определяли содержание валового азота по Иодельбауэру, нитратный азот - в свежих образцах ионоселективным методом, аммонийный азот - в вытяжке 0,1 Н раствора КС1 с реактивом Несслера, групповой состав азота по Шконде - Королевой, содержание нитратного азота по Грандваль - Ляжу, подвижный фосфор по Мачигину в 1 %-ном растворе углекислого аммония, групповой состав по Чангу -Джексону, обменный калий - на пламенном фотометре в углеаммонийной вытяжке. 2. Количество гумуса находили по методу Тюрина в модификации ЦИНАО, его групповой состав - по Кононовой - Бельчиковой. 3. Валовый азот определяли по Къельдалю, общий фосфор - по Гинзбург с молибденовокислым реактивом, общий калий - по Бурьянову. 4. Микробиологические исследования: дыхания почвы по Карпачевскому, протеолитическая и целлюлозная активность почвы -аппликационным методом. 5. Анализ растений. Содержание азота, фосфора и калия определяли в зерне и вегетативной массе после мокрого озоления по Гинзбург-Щегловой 6. Уборка и учёт урожая.
Осуществлялась комбайнами «Сампо» поделяночно. 7. Качество урожая: определяли массу 1000 зёрен, количество и качество клейковины, содержание белка в зерне - по методикам в соответствии с ГОСТами. 8. Морфологический анализ растений проводили в снопах, отобранных для учёта биологического урожая. 9. Данные по урожайности обрабатывали методом дисперсионного анализа по Б.А. Доспехову. 10. Экономическая оценка эффективности удобрений - по методикам, утверждённым РАСХН. 11. Вынос и баланс питательных веществ. Вынос определяли по величине основной и побочной продукции и результатам химического анализа. Баланс питательных веществ устанавливали по их приходу расходу. В приходную часть помимо удобрений включали поступления элементов питания с семенами и атмосферными осадками (для азота еще - еще поступление от свободноживущих азотфиксаторов). Расход определяли по выносу питательных веществ, а также потери от эрозии и по азоту - газообразные потери на денитрификацию.
Общий и доступный фосфор
В черноземной степи Поволжья применение фосфорных удобрений является одним из важнейших факторов увеличения производства зерна. Однако в связи с крайне высокими ценами на удобрения и низкими на зерновую продукцию, фосфорные удобрения в настоящее время практически не применяются. Между тем, ежегодный вынос фосфора с урожаями существенно истощает почвенные запасы и его дефицит в ближайшие годы может стать одной из причин резкого падения урожаев. Поэтому для степных районов разработка высокоэффективных систем удобрений в севообороте на основе оптимальных доз фосфорных удобрений является весьма актуальной задачей.
Предыдущими исследованиями установлено, что систематическое применение фосфорных туков приводит к увеличению содержания фосфора в почве. Низкая растворимость фосфатов, а также их малая подвижность затрудняет питание растений. Однако, благодаря активной деятельности корневой системы растений во время роста и развития, фосфор, поглощается из нижних слоев, и в дальнейшем перемещаясь в верхние слои, обогащает их фосфатами (Сдобникова О.В., 1986).
Фосфор минеральных удобрений, будучи переведен в органическую форму, лучше используется в последствии через несколько лет после внесения. Относительное поступление фосфора, так же как и азота, из остатков растений и органических удобрений возрастает от начальных к конечным фазам роста и развития культур, в то время как фосфор минеральных удобрений наиболее интенсивно поступает в начале вегетации растений (Сушеница Б.А., 2002).
Недостаток фосфора в почве приводит к фосфорному голоданию. Особенно оно отрицательно сказывается на растениях в самом раннем возрасте, когда усваивающая способность неразвитой корневой системы весьма слаба. В дальнейшем это приводит не только к недобору зерна, но и снижению содержания в нём белка. Нехватка фосфатов задерживает образование органических кислот из углеводов, что в дальнейшем тормозит связывание поступающего через корни аммиачного азота. Фосфорное голодание может привести к такой депрессии, что потом её невозможно будет преодолеть даже нормальным питанием в дальнейшем. В случае недостатка фосфора приостанавливается рост культур и задерживается созревание урожая (Носко Б. С, 1988).
Динамика подвижного фосфора зависит от многих причин, главными среди которых являются температурные условия и влажность. Ранее было отмечено, что в результате периодического увлажнения и высушивания усиливается переход из труднодоступных групп в более доступные для растений (Лебедянцев А.Н., 1933).
Переход почвенного фосфора в доступные формы во многом зависит от биологических процессов протекающих в почве. Поэтому с глубиной вследствие снижения биологической активности, содержание этого элемента уменьшается (Возбуцкая А.Е., 1975).
Мнение о том, что в процессе экстенсивного использования почв происходит относительно быстрое истощение в них запасов доступных растениям соединений фосфора, широко распространено в наше время. По данным Соловьева и др. за 48 лет (с 1948 по 1995гг.) содержание Рг05 в почве (по Кирсанову) снизилось с 11,2 до 4,6 мг/100г (Соловьев Г.А., Карпова С.Ю., Петрова Л.И., 1998). Расчет показывает, что при таких темпах падения данная почва будет полностью истощена всего за 81 год.
Согласно данным агрохимического обследования почв Украины (1965 - 1970 гг.) средневзвешенное содержание Р2О5 в целом по республике составило 7,1 мг/100 г почвы. Тем не менее, почвы этого государства, согласно данных, полученных по методу Чирикова, являются наиболее плодородными по отношению к фосфору. Средневзвешенное содержание подвижного фосфора в почвах Сумской области составляло 10,5 мг Р2О5, Черкасской области - 10,2 мг Р2О5, и Полтавской области - 9,2 мг Р2О5/ЮОГ почвы (Носко Б.С., Пристер Б.С., Лобода М.В., 1994). В Белоруссии этот показатель в 1967г составил 6,5 мг Р2О5/ЮО г почвы (по Кирсанову). То есть, несмотря на то, что баланс фосфора в этих странах на протяжении такого длительного периода был отрицателен, к началу периода интенсивной химизации средневзвешенные значения соответствовали средней обеспеченности почв фосфором. Причем не только на почвах Украины, где преобладают чернозёмные почвы, но и на более легких почвах а, следовательно, менее буферных почвах республики Беларусь (Лапа В.В., 1999).
Снижение содержания фосфора происходит не столько за счет медленных процессов истощения в результате выноса Р2О5 растениями, сколько за счет разрушения некой системы, блокирующей поглощение фосфора. Оно происходит вследствие минерализации наиболее активной части гумусовых веществ. При этом значительная часть фосфора переходит в более стабильную а, следовательно, менее доступную растениям форму. Этот процесс носит обвальный характер и завершается, в основном, за несколько лет (Христенко А.А., 2003).
Баланс питательных веществ
Длительные опыты несут огромную информацию об уровне продуктивности, качестве сельскохозяйственной продукции и состоянии почвенного плодородия. Информационный материал длительных опытов позволяет определить основные закономерности антропогенного воздействия применительно к конкретным природно-климатическим регионам страны.
Разработкой баланса питательных веществ занимались Д. Н. Прянишников (1963) и его последователи А.В. Соколов (1985), Т.Н. Кулаковская (1978), А.В. Петербургский (1979) и многие другие исследователи. Но изначально идею возврата элементов питания выдвинул Ю. Либих еще в 1848 г. На современном этапе развития земледелия расчеты баланса питательных веществ имеют особое значение, поскольку с их помощью можно дать объективную оценку круговорота элементов питания в разных агроценозах.
Поэтому все результаты длительных стационарных опытов обязательно сопровождаются балансовыми расчетами. Вследствие частых засух в черноземной степи Поволжья, активной эрозии и длительного использование земель для возделывания сельскохозяйственных культур без применения минеральных удобрений почвы сильно деградированы. Это отрицательно сказывается на урожаях особенно во влажные годы (Медведев И.Ф., Быстрова С.Н., 1998).
Решить проблему урожаев можно за счет оптимизации баланса питательных веществ путем разработки эффективных систем применения минеральных удобрений (Чуб М.П., Гюрова Э.С., Потатурина Н.В., Жанабеков К.М., Сайфулина Л.Б., 2000).
Определение баланса питательных веществ в севообороте позволяет так же установить и наиболее оптимальную систему удобрений, которая позволяет получать максимальную продуктивность культур и одновременно обеспечивать оптимальный уровень возврата питательных веществ
При расчетах баланса одной из главных расходных статей является вынос элементов питания, с урожаем существенный размер имеют также потери азота в результате денитрификации. Потери азота в севообороте из удобрений составляют в среднем 15 %, к такому выводу в результате многолетних исследований пришла М.П. Чуб (1989). В Правобережье Саратовской области на черноземных почвах возможны значительные потери вследствие эрозионных процессов. Однако наш опытный участок находится в плакорно - равнинном агроландшафте, поэтому потери элементов питания от водной эрозии незначительные, но все же они учитывались при расчете баланса.
В приходную часть относили поступление азота в результате ежегодной азотофиксации свободноживущими микроорганизмами. На удобренном фоне он составлял 5 до 10 кг/га в зависимости от насыщенности севооборота азотными удобрениями (М.П. Чуб 1989). Поступление с семенным материалом элементов питания во многом зависит от состава культур севооборота. В среднем с семенами поступает в почву 2,0 кг азота, 1,0 кг фосфора и 0,5 кг калия. С атмосферными осадками поступает от 2,12 до 4,14 кг/га азота при выпадении от 300 до 427 мм осадков (С.Н. Юркин, 1974). В степном Поволжье количество осадков колеблется в этих пределах.
При проведении расчетов учитывали вынос питательных веществ, как с основной, так и побочной продукцией, а также действие и последействие удобрений. При расчетах баланса питательных веществ в севообороте приняли во внимание, что фосфор и калий удобрений практически не теряются из корнеобитаемого слоя почвы. Таким образом, при расчетах в приходную часть баланса азота было включено: поступление с удобрениями, семенами, атмосферными осадками и за счет не симбиотической азотофиксации микроорганизмов. Расходная часть включала следующие статьи: вынос азота с зерном, соломой, в результате денитрификации и потери на эрозию. В приходную часть баланса фосфора отнесли поступление его с удобрениями и семенами. Расход фосфора происходил за счет выноса его с зерном, соломой и потери на эрозию.
Хотя калийных удобрений в опыте не вносилось, поступление его в биомассу растений происходило вместе с другими элементами питания. Это в свою очередь отразилось на величине выноса калия. В приходную часть баланса данного элемента было включено поступление с семенами и соломой на одном из вариантов, в расходную статью включен общий вынос и потери в результате эрозионных процессов.
Так же проводился и расчет интенсивности баланса или уровня возврата. Он складывался из соотношения приходной статьи к расходной. Результаты расчета баланса питательных веществ за предыдущий период исследований (1969 - 2000 гг.) показал следующее.
За первую ротацию севооборота на всех изучаемых вариантах сложился отрицательный баланс азота. Но с увеличением дозы удобрений его дефицитность снижалась до 43,2 кг. На вар. N150P200K80 и N240P200K80 сложился положительный баланс фосфора. Уровень возврата данного элемента на этих вариантах составил 186 % и 178 % соответственно. Так же как и для азота, баланс калия сложился отрицательный. Уровень его возврата не превышал 55,5 % (табл. 43).
Экономическая оценка изучаемых систем минеральных удобрений
В современных рыночных условиях, когда в сельском хозяйстве сокращаются расходы на производство продукции, приходится искать новые пути оптимального развития отрасли. Снижение материальных затрат может идти до известного предела, ниже которого начинается безвозвратное падение почвенного плодородия, следствием которого станет медленная экологическая катастрофа. Поэтому все предлагаемые усовершенствования в технологии, в том числе и применение удобрений, должны быть агрономически, экологически и экономически взвешенными. Минеральная система удобрений более доступна и универсальна. Мировое земледелие уже признало, что без применения минеральных удобрений невозможно экономически целесообразное ведение сельского хозяйства (Кулаков В.А., Шпаков А.В., Щербаков В.А., 2002). Удобрения являются высокоэффективным оборотным средством. Быстро обращаясь, они в короткий срок окупаются, повышая фондоотдачу и рентабельность производства. Расширяющееся применение минеральных удобрений обеспечивает более эффективное использование земли, когда при относительно небольших затратах средств производства и труда достигается получение наибольшего количества продукции с единицы площади при более низкой себестоимости, и в итоге интенсивность производства повышается (Баранов Н.Н., 1974). В засушливом Поволжье применение удобрений на богарных землях повышает урожай на 13-18%, в условиях орошения - на 40-70%. Но максимальный рост урожая еще не является точным показателем рационального использования туков. Важно знать, какой ценой получена та или иная прибавка урожая. Наиболее экономичные системы удобрений должны давать не только максимальный условно чистый доход, но и высокую прибыль на каждый рубль затрат (Чуб М.П., 1989).
На экономическую эффективность применения удобрений влияют биологические особенности культур, предшественники и виды удобрений, обеспеченность подвижными элементами питания в почве, климатические условия зоны. Последний фактор в степном Поволжье определяет все экономические показатели. В засушливые годы экономическая эффективность применения удобрений - невысокая. С увеличением влагообеспеченности прибавки урожая возрастают, так как суммируется эффект прямого действия и последействия ранее внесенных удобрений. Поэтому наиболее точную оценку эффективности удобрений в этой зоне могут дать только длительные стационарные опыты за продолжительный отрезок времени: 1 или две ротации (Чуб М.П., 1989). Наиболее значительные исследования по экономике применения удобрений в засушливом Поволжье были проведены Б.В.Стрелиным (1969). Используя данные полевых опытов НИИСХ Юго-Востока 40-50 годов, он установил, что в этой зоне, несмотря на низкие абсолютные прибавки урожая, наибольший экономический эффект под зерновые дает внесение гранулированного суперфосфата в рядки при посеве. На каждый рубль, затраченный на удобрения, получен условно чистый доход в размере 3 - 3,9 руб. Применение основного удобрения в оптимальных дозах заметно снижает экономические показатели (уровень рентабельности от 60 до 101%), тем не менее, автор считает, что для резкого увеличения продуктивности земледелия, следует шире применять основные удобрения. Знакомство с зарубежным опытом (А.С.Шевченко, 1971) показывает, что в США на каждый доллар, вложенный в удобрения под зерновые, в среднем получено от 2,56 доллара дохода. Однако в штатах с наиболее засушливым климатом (Монтана, Вайоминг) окупаемость туков была значительно ниже. В то же время применение удобрений в этих районах из года в год возрастает.
Однако, Б.В.Стрелин (1969) рассматривал эффективность основного удобрения только в краткосрочных опытах. Экономическая оценка различных систем удобрений в длительных опытах позволит выявить системы, дающие более высокую окупаемость туков. Для того, чтобы оценить эффективность удобрений в севообороте, рассмотрим экономику применения удобрений по культурам и факторы, на нее влияющие (табл.62). На озимых по черному пару во влажные годы наиболее высокий условно чистый доход и уровень рентабельности 170-265% получен от применения в пару Р50К40, или той же дозы, но в сочетании с азотной подкормкой N35. В засушливые годы, когда корневая система озимых развита слабо, а подвижность почвенных фосфатов резко снижается, наивысший условно чистый доход - 42, 1 руб. (в ценах 1988г.) и уровень рентабельности 113% обеспечило применение в пару - Р150 в сочетании с азотной подкормкой -N35. В среднем за 5 лет наибольший экономический эффект получен от Р50К40, N35P50 и N35P50K40 (уровень рентабельности 207, 124 и 143%). Каждый килограмм питательных веществ оплачивался 3 - 4,3 кг зерна. Применение N35P150 обеспечило самый высокий условно чистый доход 36,5 руб./га, но вследствие больших затрат на удобрения уровень рентабельности был наименьшим (88%). Однако именно это сочетание удобрений позволило получить самые высокие и стабильные урожаи озимой пшеницы как во влажные, так и в сухие годы. Следует учесть, что повышенные дозы фосфора, внесенные в пару (Р150-Р200) будут оказывать длительное последействие, что существенно увеличит окупаемость туков за севооборот. На озимых по черному пару, где складывается благоприятный азотный режим, экономический эффект от применения фосфорных удобрений зависит от запасов подвижного фосфора в почве. Во влажные годы при внесении фосфорных удобрений в дозе Р60 самая высокая окупаемость затрат (5руб.29коп. на 1 рубль затрат) была получена при низком содержании подвижного фосфора (10,6 мг/кг, при 17,8 мг/кг - она уменьшилась до 2 руб., а при 24-27 мг/кг-до 66 коп. в ценах 1988г.).
