Содержание к диссертации
Введение
АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 8
1.1. Виды деградации почв 8
1.2. Потери гумуса 9
1.3. Роль многолетних трав как фитомелиорантов 13
1.4. Использование осадков сточных вод в земледелии 19
2. ПОЧВЕННО-КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ, СХЕМА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТА 22
2.1. Почвы 22
2.2. Климат 23
2.3. Погодные условия 25
2.4. Методика исследований 30
2.5. Схема опыта 32
3. АГРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВЫ 33
3.1. Масса корней в почве 33
3.2. Плотность почвы 38
3.3. Пористость почвы 99
3.4. Структура почвы 104
4. АГРОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВЫ 105
4.1. Люцерна синегибридная 105
4.2. Люцерна желто гибридная 108
4.3. Астрагал нутовый 112
4.4. Щавель кормовой 114
4.5. Сумма обменных оснований 116
5. УРОЖАЙНОСТЬ 119
6. СОДЕРЖАНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВЕ И ЗЕЛЕНОЙ МАССЕ РАСТЕНИЙ 134
7. БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ 142
ВОЗДЕЛЫВАНИЯ МНОГОЛЕТНИХ ТРАВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД
ВЫВОДЫ 153
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ 155
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 157
ПРИЛОЖЕНИЯ 174
- Виды деградации почв
- Почвы
- Масса корней в почве
- УРОЖАЙНОСТЬ
- СОДЕРЖАНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВЕ И ЗЕЛЕНОЙ МАССЕ РАСТЕНИЙ
Введение к работе
Актуальность темы. В условиях дефицита материальных и энергетических ресурсов, при почти полном прекращении работ по сохранению и повышению плодородия земель с применением техногенных средств, в стране наблюдается деградация почвенного покрова. Поэтому изучение возможности использования местных материалов, особенно в сочетании с посевами многолетних трав в качестве удобрений и мелиорантов - актуальное направление исследований.
Из местных материалов и минералов в широких объемах можно использовать дефекат, лигнин, фосфогипс, солому навоз, сидераты, доломитовую муку, мергель и т.д. Важное значение в повышении эффективности местных материалов является сочетание их с возделыванием многолетних трав.
Поддержание плодородия почв связано с воспроизводством органического вещества. С этой точки зрения заслуживает внимания использование в качестве удобрений и биомелиорантов осадков сточных вод. Основными критериями при этом являются биологическая обеззараженность осадков сточных вод и отсутствие в них тяжелых металлов (Покровская С. Ф., Касатикова В.А., 1984; Касатикова В.А., 1990; Мерзлая Г.Е., 1995.)
Химический состав осадков городских сточных вод представлен в основном органическими веществами, значительным количеством азота, фосфора, калия. По концентрации этих элементов осадки сточных вод не уступают традиционным органическим удобрениям и мелиорантам (Васильев В.А., Лукьяненков И.И., Минеев В.Г., 1984; Алексеев Ю.В., Аллилуева Т.И., 1988; Требование к качеству сточных вод, 1995).
Использование осадков сточных вод в чистом виде или в виде компостов является решением проблем их утилизации и устранения дефицита органических удобрений и мелиорантов (Попов П.Д., 1989; Кузин Е.Н., Гришин Г.Е. и др., 2003).
Многими учеными показана возможность использования осадков сточных вод г. Саратова в качестве удобрений и биомелиорантов (Тян В.П., 2003).
Опыт по изучению влияния осадков сточных вод в сочетании с многолетними травами проводился в СХПК «Аграрник» на черноземах южных, среднесуглинистых по гранулометрическому составу.
Цель работы - выявить воздействие осадков сточных вод в сочетании с многолетними травами на плодородие черноземов южных и изучить влияние их на продуктивность многолетних кормовых культур.
В задачи исследований входило:
исследование возможности использования нетрадиционных многолетних культур в качестве фитомелиорантов;
изучение отзывчивости различных многолетних трав на внесение осадков сточных вод;
определение органического вещества, поступающего в почву с пожнивно-корневыми остатками многолетних трав на фоне осадков сточных вод;
изучение влияния биомелиорантов на водно-физические свойства почвы;
выявление воздействия биомелиорантов на агрохимические свойства почвы;
анализ содержания тяжелых металлов в почве при использовании осадков сточных вод как биомелиорантов;
исследование влияния различных доз осадков сточных вод на продуктивность зеленой массы кормовых культур;
определение энергетической и экономической эффективности сочетания осадков сточных вод и многолетних трав как биомелиорантов.
Научная новизна исследований заключается в теоретическом обосновании совместного использования в качестве мелиорантов осадков сточных вод и многолетних кормовых трав для предотвращения деградации южных черноземов и увеличения их плодородия. Изучено фитомелиоративное значение таких нетрадиционных кормовых культур как астрагал нутовый, щавель кормовой в сравнении с люцерной синегибридной, люцерной желтогибридной и донником. Выявлено влияние этих культур на водно-физические и агрохимические свойство южного чернозема и определена их отзывчивость на различные дозы осадков городских сточных вод. Исследована возможность использования осадков сточных вод в качестве удобрений малыми дозами 12,5-25,0 т/га и в качестве биомелиорантов высокими дозами до 50-100 т/га. Рассмотрено влияние внесения осадков сточных вод на содержание тяжелых металлов в почве и растениях. Показана роль многолетних трав в снижении количества тяжелых металлов в почве.
Практическая значимость состоит в конкретных рекомендациях по совместному использованию осадков сточных вод и многолетних трав для восстановления плодородия южных черноземов в Поволжье. Показана роль осадков сточных вод в повышении урожайности многолетних трав. Выявлены резервы использования нетрадиционных культур в качестве фитомелиорантов – астрагала нутового и щавеля кормового. Установлена возможность снижения тяжелых металлов, внесенных с ОСВ на многолетних травах.
Апробация результатов исследований. Основные положения работы прошли широкую научную и практическую проверку. Результаты исследования неоднократно докладывались на Всероссийских (Пенза, 2004), региональных (Саратов, 2005), местных конференциях (2005, 2006), на внутривузовских научно-практических конференциях и «Вавиловских чтениях» (Саратов, 2004, 2005, 2006). Результаты исследований были внедрены на полях СХПК «Аграрник» в Саратовском районе Саратовской области.
Публикации. По итогам диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 2 – в центральной печати.
Положения, выносимые на защиту:
количество органического вещества, поступающего в почву при совместном использовании в качестве мелиорантов осадков сточных вод и многолетних трав;
влияние осадков сточных вод и многолетних бобовых и небобовых культур на водно-физические и агрохимические свойства чернозема южного;
зависимость продуктивности многолетних трав от величины доз осадков сточных вод;
энергетическая, экономическая и экологическая эффективность внесения осадков сточных вод под посевы многолетних кормовых культур.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 7 глав, выводов и предложений производству. Работа изложена на 185 страницах компьютерного текста, содержит 50 таблицы, 39 рисунков и 14 приложений. Список литературы включает в себя 213 источников, в том числе 13 – на иностранных языках.
Виды деградации почв
Россия располагает обширным фондом земель сельскохозяйственного назначения - 197,6 млн. га, в том числе 120,9 млн. га пашни (Шафронов, 2003).
Сельскохозяйственное использование пашни в условиях дефицита энергетических и материальных ресурсов при современной системе земледелия привело к падению и потенциального эффективного плодородия почвы (Ефремов, 1980; Адерихин, Королёв, 1987; Когут, 1998). Среди деградационных процессов широкое распространение получили переуплотнение, потеря гумуса и кальция, разрушение структуры, водная и ветровая эрозия, осолонце-вание и другие (Колганов, 1994; Щербаков, 1994; Дмитриенко, 1995; Четвертков, 1997).
Большая часть земель сельскохозяйственного назначения находится в критическом состоянии. В пахотном слое почв утрачено более 30 % содержания гумуса как основного показателя плодородия. Ухудшены структура и водно-физические свойства почв. Площади переуплотнённых почв на пашне возросли примерно в три раза, площади смытых почв - на 35-40 % (Басманов, Жиров, 2002).
Важным процессом, вызывающим деградацию агроландшафтов, является эрозия почв, вызванная как природными, так и антропогенными факторами.
По данным Государственного учёта земель на 1 января 2001 года водной эрозии подвержено 7,8 % площади сельскохозяйственных угодий страны.
Деградационные процессы, вызванные распаханностыо территорий и техногенной нагрузкой, сопровождается разрушением почвенной структуры, ухудшением агрофизических свойств. (Ахтырцев, Замятина, 2002).
Экологическое неблагополучие сельскохозяйственных земель во многом вызвана такими причинами как экологические просчёты в ведении сельского хозяйства (Бакинова, Зеленская, 1998).
Почвы
Опыт проводился в СХПК «Аграрник» Саратовского района Саратовской области на южных чернозёмах, среднемощных, елабогумусированных, сред-несуглинистых по гранулометрическому составу. Подстилающими породами являются делювиальные суглинки.
Мощность горизонта А - 49 см, реакция среды близка к нейтральной, рН водной вытяжки равняется 7,1-7,2. Сумма поглощённых оснований соответствует данному подтипу почв и составляет 35,5-38,0 мг-экв. на 100 г почвы. В составе поглощённых оснований преобладает обменный кальций (55,2-69,1 % от суммы оснований), магний составляет 28,1-34,54 %. Вниз по профилю количество его увеличивается. Содержание натрия низкое 2,0-2,8 %.
По сухому остатку почвы незаселённые (0,01-0,02 %) и не содержат токсичных солей.
Содержание нитратного азота равно 2,19-3,60 мг на 100 г почвы, гид-ролизуемого азота по Тюрину и Кононовой - 3,12-3,87 мг, доступного фосфора Р202 по Мачигину - 3,3-4,0 мг, обменного кальция К20 по Масловой -16-26 мг на 100 г почвы. По содержанию питательных веществ данная почва относится к среднеобеспеченным как в отношении азота, так и в отношении фосфора и калия.
Плотность почвы в пахотном горизонте колеблется в пределах 1,20-1,37 г/см , в подпахотном горизонте - 1,36-1,47 г/см , на глубине 1 м она возрастает до 1,52-1,53 г/см , на двухметровой отметке составляет 1,60-1,63 г/м (табл. 1).
Наименьшая влагоёмкость в слое 0-30 см равна 26,3-28,1 % от массы сухой почвы, в слое 30-50 см - 23,7-26,3 %, а в более глубоких слоях становится примерно постоянной и колеблется в пределах от 20,0 до 21,8 %.
Влажность устойчивого завядания изменяется по слоям от 9,3-10,1 до 8,4-9,0 %. Агрономически ценная структура составляет 57-59 %, а водопроч-ность её - 51,7-52,5 % в слое 0-20 см и 32,3-33,1 % в слое 30-40 см. Количество гумуса по Тюрину в слое 0-20 см 3,26-3,90 %, в слое 20-40 см - 3,08-3,50, в слое 40-60 см - 1,64-2,20 % от массы сухой почвы.
Масса корней в почве
Плодородие почвы зависит от количества органического вещества в почве. В отличие от естественного биоценоза, в агроценозе отчуждается более половины органического вещества, созданного растением в процессе формирования урожая. Поэтому большое значение в земледелии для сохранения плодородия почвы имеет количество органического вещества, оставляемое растениями в почве в виде корневых остатков.
Из изучаемых культур без внесения осадков сточных вод наибольшее количество корневых остатков в почве оставалось после люцерны. Причем, желто гибрид пая люцерна по массе корней в слое почвы 0-60 см не уступала синегибридной. Различие составляло 0,3 т/га или 2,7 % (табл. 6).
Астрагал нутовый оставлял после себя корней меньше, чем люцерна на 68,2 %. После щавеля кормового количество корней было на контроле на 22,7 % меньше, чем после люцерны.
Внесение осадков сточных вод в качестве удобрений нормой 12,5 и 25 т/га увеличило прирост не только зеленой массы, но и корней. Масса корней у люцерны синегибридной возросла на 8,2 и 18,2 %, а у желтогибридной - на 7,1 и 16,8%.
Внесение высоких доз осадков сточных вод в качестве биомелиорантов увеличило массу корней в слое 0-60 см у синегибридной люцерны - на 26,5-32,8 %; у желтогибридной - на 19,5-22,1 %. Под астрагалом путовым прибавка массы корней по сравнению с контролем равнялась 14,3-20,0 %.
При внесении высоких доз осадков сточных вод отмечено и существенное увеличение массы корней, однако приоритет оставался, как и в случае без внесения осадков, за люцерной.
При внесении 100 т/га под зябь осадков сточных вод, синегибридная люцерна имела массу корней в слое 0-60 см 14,6 т/га, что больше люцерны жел-тогибридной на 5,5 %.
Урожайность
Урожайность является комплексной оценкой любого агромелиоративного приема и основным критерием при оценке любой сельскохозяйственной культуры.
В нашем опыте использовался ряд многолетних культур для получения высококачественных кормов и повышения плодородия почвы на фоне различных доз внесения осадков городских сточных вод (ОСВ).
Люцерна синегибридная
Люцерна синегибридная в 2004 году на третьем году жизни дала урожайность зеленой массы на контрольном варианте без внесения осадков сточных вод 14,6 т/га. При внесении 12,5 т/га осадков урожайность зеленой массы возросла до 16,3 т/га или на 11,6 %. На фоне 25 т/га увеличение урожайности составляло 3,8 т/га или 26,0 % (табл. 20).
Дальнейшее повышение доз осадков до 50 и 100 т/га увеличивало урожайность соответственно на 5,3 и 6,4 т/га или на 36,3 и 43,8 % по сравнению с контролем.
Очевидно, что с удвоением величины нормы осадков отмечается падение прибавки. При внесении 25 т/га осадков прибавка возросла по сравнению с фоном 12,5 т/га осадков на 2,1 т/га или на 12,9 %, а при внесении 50 т/га осадков - на 1,5 т/га зеленой массы по сравнению с внесением 25 т/га осадков, или на 8,1 %. Внесение 100 т/га осадков по сравнению с 50 т/га повышало урожайность на 1,1 т/га зеленой массы люцерны или на 5,5 %. Окупаемость 1 т осадков сточных вод урожаем составляла соответственно дозам 136; 152; 106 и 64 кг зеленой массы. При внесении 100 т/га осадков окупаемость каждой тонны снизилась в 2,0-2,5 раза.
В 2005 году урожайность синегибридноЙ люцерны была выше, чем в 2004 году на контроле на 10,5 т/га зеленой массы или на 71,9 %. Это можно объяснить погодными условиями. Если в 2004 году за апрель - июнь выпало 109,0 мм осадков, а за апрель - август - 203,0 мм, то в 2005 году сумма осадков составляла соответственно 142,9 и 184,5 мм.
На фоне 12,5 т/га осадков урожайность возросла до 28,3 т/га или на 12,7 %; на фоне 25 т/га - до 32,2 т/га или на 28,3 % (табл. 21).
При увеличении нормы осадков с 12,5 до 25 т/га урожайность возросла дополнительно на 3,9 т/га или на 13,8 %. С повышением дозы осадков с 25 до 50 т/га урожайность возросла на 5,1 т/га или на 15,8 %, а до 100 т/га - на 0,8 т/га или на 2,1 %. Окупаемость 1 т биомелиоранта упала с 284 кг до 130 кг зеленой массы.
В 2006 году урожайность зеленой массы синегибридной люцерны была на уровне 2005 года (табл. 22).
На фоне 12,5 т/га осадков урожайность зеленой массы возросла на 2,5 т/га или 9,5 %; на фоне 25 т/га - на 5,6 т/га или 21,2 % по сравнению с контролем. Внесение 50 и 100 т/га осадков повысило урожайность на 9,6 и 12,0 т/га зеленой массы или на 36,4 и 45,4 % по сравнению с контролем.
Удельная прибавка с повышением дозы биомелиоранта снижалась в 2 раза. При повышении дозы осадков с 12,5 до 25 т/га урожайность возрастала на 3,1 т/га или 10,7 %; с 25 до 50 т/га осадков - на 4,0 т/га зеленой массы или на 12,5 %; а с 50 до 100 т/га осадков - на 2,4 т/га зеленой массы или 6,7 %. Окупаемость 1 т биомелиоранта снижалась с 224 кг до 120 кг зеленой массы.
Содержание тяжелых металлов в почве и зеленой массе растений
Одним из сдерживающих факторов широкого использования ОСВ в качестве удобрений и мелиорантов является содержание в них тяжелых металлов. В осадках сточных вод станции аэрации г. Саратова по данным анализа государственной станции агрохимической службы «Саратовская» содержалось: свинца 650-696 мг/кг; меди - 590 мг; цинка- 1103 мг; кадмия- 13,2 мг; ртути - 1,39 мг/кг. Это больше, чем предельно-допустимые концентрации по свинцу в 5 раз; по меди - в 4,5 раза; по цинку - в 5 раз; по кадмию - в 6,6 раз.
Ртути было меньше предельно допустимой концентрации на 51 %. Внесение осадков сточных вод повышало содержание тяжелых металлов в почве пропорционально величинам вносимых доз. Под люцерной желтогиб ридной внесение ОСВ в удобрительной дозе 12,5 25,0 т/га увеличило содержание подвижного свинца в почве с 11,6 до 16,2 мг/кг, а при мелиоративной дозе 100 т/га - до 58 мг/кг. ПДК для подвижного свинца составляло 130 мг/кг (табл. 37).Содержание свинца под желто-гибридной люцерной возрастало при внесении удобрительных доз на 39,6 %, а мелиоративных - в 5 раз.
Количество подвижного кадмия увеличивалось при внесении 25,0 т/га осадков - на 43,5 %, а 100 т/га - в 3,7 раза.
Возрастало и количество подвижной меди соответственно вносимым дозам ОСВ на 44,3 % или в 3,2 раза; цинка - на 24,1 или в 2 раза. Наибольшее количество свинца в почве увеличивалось до 58,0мг/кг, кадмия- до 0,86мг/кг, меди -до 40,2, цинка- до80,4мг/кг.
Содержание ртути увеличилось в 2 раза - с 0,025 до 0,055 мг/кг.
Как в случае внесения удобрительных доз осадков, так и при использовании мелиоративных доз содержание тяжелых металлов было в 2-3 раза ниже ПДК.
Аналогичная закономерность отмечалась под щавелем кормовым. Содержание свинца в почве при внесении 25 т/га осадков под кормовым щавелем увеличилось с 11,4 до 15,1 мг/кг или на 32,5 %, а 100 т/га осадков как мелиоративной дозы - с 11,4 до 73,6 мг/кг или в 6,5 раз (табл. 38).
