Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Влияние сельскохозяйственных культур и различных приемов воспроизводства плодородия на биологические процессы черноземных почв (обзор литературы) 10
Глава II. Почвенно-климатические условия ЦЧР 42
2.1. Климат .42
2.3. Почвообразующие породы 48
2.4. Растительность 49
2.5. Краткая характеристика почв ЦЧР 50
Глава III. Объекты и методы исследований 54
3.1. Объекты исследований 54
3.2. Методика проведения исследований 61
Глава IV. Влияние сельскохозяйственных культур, различных видов органических и минеральных удобрений на биологические процессы чернозема выщелоченного 63
4.1 Роль различных способов использования черноземов и приемов воспроизводства их плодородия в формировании биомассы микроорганизмов 110
Глава V. Влияние различных способов повышения плодородия почвы на биологические процессы в черноземах 120
5.1. Влияние агроценозов на микробиологические процессы в черноземах 120
5.2. Влияние внесения сидератов на динамику почвенных микроорганизмов 130
5.3. Роль растительных остатков сельскохозяйственных культур в динамике биогенных процессов в черноземах 140
Глава VI. Влияние различных приемов и глубины обработки почвы на микробиологическую активность черноземов 150
Глава VII. Влияние различных органических и минеральных удобрений на биологическую активность и токсичность черноземных почв 174
7.1. Влияние соломы возделываемых культур на биологическую активность почвы 176
7.2. Динамика элементов питания при различных приемах воспроизводства плодородия черноземов 181
7.2.1. Аммиачный азот в почве 182
7.2.2. Нитратного азота в почве 183
7.2.3. Подвижный фосфор в почве 185
7.2.4. Подвижный калий в почве 186
7.3. Влияние приемов воспроизводства плодородия почвы на токсичность и содержание фенольных соединений 190
7.3.1. Влияние токсичности почвы на энергию прорастания и длину проростков семян кукурузы 196
7.3.2. Содержание фенольных соединений в почве при внесении различных видов органических удобрений 198
Глава VIII. Связь урожайности сельскохозяйственных культур с показателями потенциального и эффективного плодородия почвы при различных способах его воспроизводства 205
Глава IX. Урожайность сельскохозяйственных культур и эффективность энергетических затрат при различных способах воспроизводства плодородия почвы 214
8.1. Энергетическая эффективность приемов повышения плодородия почвы 220
Основные выводы 225
Предложения по практическому использованию результатов исследований 226
Список используемой литературы
- Почвообразующие породы
- Роль различных способов использования черноземов и приемов воспроизводства их плодородия в формировании биомассы микроорганизмов
- Влияние внесения сидератов на динамику почвенных микроорганизмов
- Динамика элементов питания при различных приемах воспроизводства плодородия черноземов
Введение к работе
Актуальность проблемы
Плодородие черноземов, их устойчивость во времени зависит от степени воздействия па них сельскохозяйственной деятельности человека.
Интенсификация сельскохозяйственного производства оказвает влияние практически на все свойства почв: изменяет их химический состав, физическое состояние, содержание и качественный состав гумуса и т.д.
В этой связи теоретическое и практическое обоснование роли сельскохозяйственных культур и приемов сохранения и воспроизводства плодородия черноземов в формировании и активности их живой фазы (как основы плодородия почв) на современном этапе является весьма актуальным, поскольку микроорганизмы - исключительно чуткие индикаторы изменений, происходящих в окружающей среде.
Учитывая это, мы полагаем, что результаты наших исследований, полученные в длительных стационарных опытах, дадут возможность не только оценить на методическом и методологическом уровне изучаемые нами культуры и приемы воспроизводства плодородия как факторов формирования комплекса почвенных микроорганизмов, но и своевременно устранять негативные изменения свойств черноземов.
Цель исследований заключалась в оценке роли сельскохозяйственных культур, их чередований, органических и минеральных удобрений как основных факторов, определяющих параметры биологических процессов черноземов, и разработке агротехнических приемов воспроизводства плодородия почвы в системах земледелия ЦЧР.
6 Задачи исследований:
Выявить роль сельскохозяйственных культур, послеуборочных остатков, различных видов органических и минеральных удобрений на динамику биологических показателей черноземов.
Изучить причины фитотоксичности черноземных почв при различных способах воспроизводства их плодородия.
Установить роль фенольных соединений в формировании токсических свойств почвы.
Выявить влияние различных приемов основной обработки почвы на динамику биологических процессов.
Определить биомассу микроорганизмов в черноземных почвах при различных уровнях техногенного воздействия.
6. Разработать модель биологического блока воспроизводства плодородия черноземов.
7. Оценить продуктивность и энергетическую эффективность раз личных приемов воспроизводства плодородия почвы.
Положения, выносимые на защиту;
Сельскохозяйственные культуры, органические и минеральные удобрения, их различные сочетания как основное средство регулирования биологических процессов воспроизводства плодородия почвы.
Роль растительных остатков полевых культур в формировании основных компонентов комплекса почвенных микроорганизмов.
Сельскохозяйственные культуры, растительные остатки и их роль в возникновении токсичности почвы.
Фенольные соединения как составная часть токсических веществ в почвах.
Совместное внесение соломы и зеленых удобрений снижает токсичность почвы.
Биологический блок черноземов как основа воспроизводства их плодородия.
7 7. Эффективность затрат техногенной энергии возрастает при использовании биологических приемов воспроизводства плодородия.
Научная новизна исследований.
На основе использования биологических показателей проведена комплексная оценка приемов воспроизводства плодородия черноземов в длительных стационарных опытах.
Установлены закономерности формирования биомассы микроорганизмов при различных уровнях техногенного воздействия на почву.
Определены различные источники формирования фитотоксич-ности почв и приемы ее снижения в агроценозах.
Установлено, что показатель соотношения численности микроорганизмов, использующих различные формы азота, характеризует темпы трансформации свежего органического вещества.
Разработана модель биологического блока плодородия черноземов как основы его воспроизводства.
Практическая значимость работы заключается в разработке комплекса биологических показателей, определяющих возможность использования различных приемов воспроизводства плодородия черноземов в системах земледелия ЦЧР. Они могут найти применение в научных, проектных организациях и образовательных учреждениях биологического и сельскохозяйственного профиля.
Разработанная математическая модель биологического блока плодородия черноземов может быть использована при оценке продуктивности и прогнозе качества пашни.
8 Апробация работы.
Основные результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на международных научных конференциях и конгрессах по плодородию и экологии почв (Шортанды, 1993г; Воронеж, 1996г, 2004г; Брянск, 1999г; Смоленск 1999г; Минск 2001г; Москва, 2002г; Курск 2005г); Всероссийских и региональных научных и научно-практических конференциях: «Проблемы сохранения почвенного плодородия» (Пенза, 1992, 1993, 2002), «Повышение эффективности сельскохозяйственного производства» (Мичуринск, 1995), «Почвенные ресурсы, рационализация и экологическая оптимизация агроландшаф-тов» (Красноярск, 1997), «Достижения аграрной науки в решении экологических проблем Центральной России» (Орел, 1999), конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов Воронежского ГАУ им. К.Д.Глинки (Воронеж, 1992-2005 гг).
Апробированные в работе приемы биологизации земледелия рекомендуются для широкого внедрения в производство, теоретические положения диссертации используются в курсах лекций по почвоведению и земледелию в ВГУ, Воронежском и Орловском ГАУ. При непосредственном участии автора в 2000-2004 гг. проведены разработка и внедрение системы земледелия ЗАО «Яменское» Рамонского района (совершенствование полевых севооборотов, расширение посевов многолетних трав, использование нетоварной части урожая и дефеката в качестве органических удобрений, возделывание сидеральных культур).
Автор с чувством глубокой признательности обращается к памяти своих учителей: члена-корреспондена ВАСХНИЛ доктора сельскохо- зяйственных наук, профессора [Сидорову М.И.|, доктора сельскохозяй- ственных наук, профессора |Зезюкову Н.И.|, выражает искреннюю благодарность коллегам за помощь в выполнении исследований, профессорам Придвореву Н.И,, Дедову А.В., Воронину В.И., доцентам Ворон-кону В.А., Королеву Н.Н., Трофимовой Т.А., Маслову В.А., Пичугину
9 А.П., Кузнецовой Л.П., Рябчиковой В.В., научному консультанту, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Верзилину В.В., за ценные указания при написании работы, всем сотрудникам кафедры земледелия, отдела плодородия Опытной станции ВГАУ им. К.Д. Глинки за участие в проведении экспериментальных исследований.
Почвообразующие породы
Формирование рельефа региона исторически связано с развитием бассейна реки Дон. Западная правобережная часть представлена Средне-Русской возвышенностью. Отметки водоразделов достигают 286 м над уровнем моря. Густота овражно-балочной сети 1,1-1,3 км на 100 га.
Левобережье делиться на юго-восточную возвышенную и северовосточную равнинную части. Юго-восточное левобережье представлено Ка-лачской возвышенностью, сильно расчлененной ложбинами древнего стока, оврагами и речными долинами. Высота над уровнем моря достигает 200-300 м, густота овражно- балочной сети 1,2-1,5 км на 100 га. Северо-восточное левобережье расположено в Окско-Донской низменности с абсолютными отметками высот 120-150 м над ровней моря.
Территория Опытной станции ВГАУ представляет собой довольно плоскую равнину со слабо выраженным наклоном в юго-восточной части на юго-восток к долине реки Воронеж, а в остальной части со слабым наклоном (1-3) на юго-запад к глубокой и широкой балке, выходящей своим устьем в городской парк культуры и отдыха "Динамо". Длина склонов составляет 700-800 м, а разница высот между высшей и низшей точками - 12-13 м. Имеющиеся уклоны обеспечивают быстрый поверхностный сток талых и дождевых вод и развитие слабо выраженных эрозионных процессов.
В наиболее плоских частях территории хорошо выражен микрорельеф в виде замкнутых или открытых понижений и слабо выраженных ложбин. Исследованиями М.С. Цыганова и В.Ф. Куклиновой (332) установлены существенные различия в содержании и запасах влаги на плакорных участках и в микропонижениях, достигающие десятков миллиметров, а в пересчете на 1 га 200-700м\ Такие различия, несомненно, сказываются па пестроте урожайности в стационарных опытах.
Материнские почвообразующие породы в ЦЧР разнообразны как по происхождению, возрасту, так и по составу и физико-химическим свойствам. В юго-западной части региона почвообразующими породами являются лессовидные глины, суглинки и лесс. Имеют относительно небольшое распространение третичные глины, суглинки и пески; девонские известняки, глины, суглинки и пески; мел, мергель, глины и пески мелового периода; юрские глины, суглинки и пески, а также фливиоглянцевые наносы древних и современных отложений (242).
На северных и восточных окраинах Среднерусской возвышенности и Окско-Донской равнины распространены покровные суглинки и глины, которые, по мнению ряда авторов (203), представляют собой продукты переработки днепровской морены. Отличительные их свойства - заметная опесча-ненность, относительно меньшая лессивированность, пониженное содержание карбонатов или их полное отсутствие.
На территории Опытной станции безвалунные покровные суглинки и глины покрывают тонким пластом флювиогляциальные и древнеаллювиальные пески и супеси. Во многих местах покровные суглинки и глины имеют небольшую мощность (60-80 см) и смена пород происходит в пределах почвенного профиля. На преобладающей части территории мощность покровных отложений составляет 2-3 м и более. Содержание карбонатов в покровных суглинках не превышает 2,0-2,5%.
Травянистая растительность Центрального Черноземья характеризуется высокой видовой и экземплярной насыщенностью. Леса и луговые степи остались только вдоль рек, балок и оврагов, и на заповедных участках. Черноземы выщелоченные сформировались под остепненными лугами и луговыми степями, которые сочетаются с широколиственными лесами.
Отличительная черта остепненных лугов - преобладающие в травостое разнотравья и корневищных злаков. В меньшем количестве представлены луговые дерновинные злаки с небольшой примесью ксерофильных дерновинных злаков (типчак, тонконог, ковыль). Обычно хорошо выражен напочвенный покров из мха Травостой высокий и густой с постепенным затуханием вегетации к осени без засушливого летнего периода
Луговые степи более ксерофитны. В них преобладают степные дерновинные злаки: типчак, ковыль, тонконог, много корневищных злаков и разнотравья. В напочвенном покрове мхи. Травостой густой, высокий, без летнего периода полупокоя.
Количество надземной массы составляет 6-Ю т/га, биомассы корней 13-15 т/га. Количество ежегодного опада достигает 10-15 т/га. Скорость разложения растительных остатков ниже их поступления, в результате на поверхности почвы накапливается 8-Ю т/га степного войлока, а внутри почвы до 15-20 т/га детрита(18,289).
Роль различных способов использования черноземов и приемов воспроизводства их плодородия в формировании биомассы микроорганизмов
Органическое вещество почвы представляет собой сложную гетероген ную смесь защищенных и незащищенных остатков растительной и мик робной биомассы разной степени деструкции и разложения, низко- и высо комолекулярных продуктов распада и синтеза, новообразованных и старых, частично или полностью стабилизированных, гумусовых веществ. Расти тельные остатки обогащают почву растворимыми органическими соедине ниями, создают благоприятные эдафические условия для микроорганизмов, которые, ассимилируя, минерализуя и гумифицируя растительный материал, накапливают новую биомассу, подвергающуюся после отмирания тем же превращениям. Выделение в качестве самостоятельного компонента органи ческого вещества почвы микробной биомассы, подразделение ее по степени лабильности на метаболическую, структурную части, и микробные остатки стало главной отличительной чертой современных моделей оборачиваемости углерода в почве [374-377, 382, 394]. Содержание микробной биомассы в почве чувствительно к антропогенным воздействиям и факторам окружающей среды, репрезентативно отображает краткосрочную динамику почвенного органического вещества и его пространственную вариабельность, является надежным индикатором качественных изменений в органическом веществе почвы [378, 411, 412]. Почвенные микроорганизмы выступают природным агентом биологического фракционирования органического вещества по активности участия его компонентов во внутрипочвенных превращениях [269, 356, 414]. В зависимости от исходного содержания азота, отношений C:N, лигишпЫ в растительном материале его разложение осуществляется преимущественно бактериями или грибами [398]. Грибы являются главными редуцентами лигнинсодержащих комплексов, характеризуются большей эффективностью ассимиляции углерода и меньшей оборачиваемостью биомассы, чем бактерии, способствуя запасанию и более продолжительному сохранению органического углерода в почве [382, 405].
Накопление микробной биомассы в почве, ее отмирание и минерализация тесно связаны с процессами разложения, обновления и стабилизации органического вещества, минерализационно-иммобилизационными превращениями азота. Содержание углерода (Смб) и азота (NM6) микробной биомассы, их соотношение с органическим углеродом и общим азотом, соответственно, хорошо демонстрируют качественное состояние органического вещества и азотного фонда почв в зависимости от их генезиса, землепользования, способа обработки, типа севооборота, внесения органических и минеральных удобрений, показывая обогащение или обеднение почвы легкоминерализуе-мыми соединениями [Кудеяров В.Н., 1999. Lundquist E.J. и др., 1999, Breland ТА., Eltun R. 1999. Scholes М.С., Powlson D., Tian G., 1997].
Микробная биомасса является основным источником активного азота, участвующего в краткосрочном внутрипочвенном круговороте со временем оборачиваемости, соизмеримым с продолжительностью вегетационного периода [Семенов В.М., 2004, LiangB.C.,MacKenzieA.F., GregorichE.G.. 1999].
Во многих исследованиях обнаруживалась тесная связь между содержанием микробного и потенциально минерализуемого азота [344, 345,419], поэтому запасы микробной биомассы дают представление об азотминерали-зующей способности почвы.
Вовлечение черноземных почв в сельскохозяйственный оборот, регулярное их рыхление, приводит к увеличению аэрированности верхнего слоя почвы и как следствие повышение темпов минерализации органического вещества. Уменьшение видового разнообразия возделываемых культур по сравнению с целинными почвами приводит к обеднению их химического состава и снижению количества растительных остатков поступающих в почву.
Высокие темпы минерализации органического вещества в почве приводят к снижению темпов накопления гумусовых веществ и увеличению скорости их минерализации. Что не может не отражаться на динамике почвенных микроорганизмов и количества биомассы микробов.
Необрабатываемые черноземы (Стрелецкая степь) получают свежее органическое вещество в достаточно больших количествах 17-20 т/га (7), что позволяет обеспечивать почвенную микрофлору как энергетическим, так и строительным материалом. Различные темпы интенсификации черноземов приводят к неодинаковым изменениям в биомассе почвенных микроорганизмов (табл. 45).
В обрабатываемых черноземах опытной станции Воронежского ГАУ, в 1921 году, произошло уменьшение микробной биомассы на 1799 кг/га в пахотном слое по сравнению с целиной.
Влияние внесения сидератов на динамику почвенных микроорганизмов
В настоящее время не вызывает сомнения ведущая роль микроорганизмов в процессах трансформации растительных остатков и других видов органических веществ, поступающих в почву. Исследования влияния производственно-экологических условий на микробиологические параметры, характеризующие эти процессы, позволят рационально использовать деятельность микроорганизмов для обеспечения оптимального плодородия почв.
Целью наших исследований являлось изучение динамики микробиологической активности почвы при разложении зеленой массы сидеральных культур в течение десяти месяцев.
Опыт проводили в вегетационных сосудах. В качестве сидерата использовали зеленую массу донника и эспарцета. Вегетационные сосуды заполняли 3 кг почвы из-под 20-летнего пара, взятой со стационарного опыта кафедры земледелия Воронежского агроуниверситета. Контролем служила почва без внесения сидеральной культуры. Микробиологические анализы проводили в динамике на 15, 45, 75, 300-й день разложения.
Зимогенная микрофлора, разлагающая в аэробных и анаэробных условиях разнообразные растительные и животные остатки, характеризовалась структурой и динамикой различных физиологических групп микроорганизмов. Олиготрофы, разрушающие остаточные продукты деструкции органических соединений, и автохтонная микрофлора, разлагающая гумус, выявлялись на бедных питательных средах.
Органическое вещество сидеральных культур, попадая в почву, является основным источником питания и энергии для большинства гетеротрофных микроорганизмов.
В результате наших исследований было установлено, что внесение в почву зеленой массы сидералъных культур стимулирует размножение почвенных микроорганизмов, хотя эффект от внесения донника и эспарцета был неодинаковым.
В начальный период, когда из внесенных в почву зеленых удобрений экстрагируются легкогидролизуемые и растворимые в воде вещества более интенсивно начинают развиваться микроорганизмы, относящиеся к зимоген-ной группе.
Как показывают результаты опыта, развитие бактерий на МПА идет более интенсивно на варианте с донником. В сосудах с эспарцетом в это время количество бактерий держится примерно на одном уровне с контролем (рис. 2а). К 45-му дню разложения зеленой массы численность бактерий достигает своего пика. В этот период количество бактерий резко возрастает как на варианте с донником, так и с эспарцетом, где их количество величивается в 27 раз. Это указывает на то, что в период 15-45 дней интенсивность разложения эспарцета выше, чем донника, что, вероятно, объясняется химическим составом их компонентов. К 75-му дню количествомикроорганизмов на варианте с эспарцетом было еще значительным, а на варианте с донником приближалось к контролю. Это можно объяснить тем, что к этому времени в почве осталось больше биомассы эспарцета, нежели донника. К 100-му дню разложилось 89% биомассы эспарцета и 94% -донника.
Динамика бактерий, использующих минеральные формы азота (рис. 26), также показывает, что донник, используемый в качестве сидерата, разлагается быстрее эспарцета. Если к 45-му дню разложения количество бактерий этой группы на доннике достигало своего максимума, то на 75-е сутки оно составляло лишь 60% от первоначального числа бактерий. Численность микроорганизмов, усваивающих минеральные формы азота, на варианте с эспарцетом продолжало расти до 75-го дня разложения и достигало 60 млн./г почвы.
Что касается почвенных грибов, то пик их развития приходился на 45-е сутки разрушения сидеральных культур (рис. За). При этом численность грибов на вариантах с донником и с эспарцетом изменялась примерно одинаково, но в почве с донником их количество на 30 тыс/г почвы было больше, что указывает на способность эспарцета поддерживать фунгистатическое свойство почвы на более высоком уровне.
В начальный период развиваются виды микроорганизмов использующие легкодоступные питательные вещества, экстрагирующиеся из растительных остатков, а затем по мере деструкции органического вещества их сменяют виды, усваивающие гемицеллюлозу и целлюлозу.
Целлюлоза является одним из главных компонентов растительных остатков и разрушается в почве представителями различных систематических групп микроорганизмов, В нашем опыте наблюдался рост численности цел-люлозоразрушающих микроорганизмов в течение всего периода наблюдений (рис. 36).
Динамика элементов питания при различных приемах воспроизводства плодородия черноземов
Внесение органического вещества в почву является одним из важнейших факторов воздействия на течение микробиологических процессов и накопление усвояемых питательных веществ.
Экспериментальные данные, полученные в нашем опыте в почве под кукурузой, при внесении соломы, навоза, минеральных и зеленых удобрений показали, что содержание аммиачного азота в почве по различным вариантам было неодинаковое (табл. 54).
Самое высокое содержание NH3 в почве наблюдалось в летний период. Это объясняется тем, что в теплое время года процессы аммонификации проходили более интенсивно, и накопление аммиака было больше в фазу выметывания метелки у кукурузы.
Содержание аммиачного азота в течение вегетационного периода кукурузы, по всем вариантам опыта, было на 27,7-38,2% ниже его содержания на контрольном варианте. Это можно объяснить иммобилизацией аммиачной формы азота свежим органическим веществом. Исключение составляет вариант совместного внесения соломы озимой пшеницы и минеральных удоб рений. Здесь наблюдалось небольшое превышение контрольного варианта по содержанию аммиачной формы азота. Это, вероятно, происходит потому, что высокие дозы минеральных удобрений позволяют микроорганизмам находить достаточное количество азота для питания, когда солома озимой пшеницы находится на начальной стадии разложения.
Нитратный азот в почве Содержание нитратного азота в почве изучаемых вариантов было очень динамично. Оно зависело от погодных условий, происходящих в почве процессов и от вида внесенных органических удобрений. Сравнивая динамику аммиачного и нитратного азота в слое почвы 0-30 см можно увидеть. Что на вариантах с наибольшей интенсивностью процессов аммонификации отмечалось меньшее количество нитратов. На пример, весной на вариантах по сидеральному пару и совместного внесения соломы и минеральных удобрений, где образование аммиака шло более интенсивно отмечалась тенденция снижения содержания нитратного азота. В этот период отмечалось самое высокое содержание нитратов в почве (табл. 55).
Динамика образования нитратов и аммиака в почве на изучаемых вариантах в общих чертах совпадала с динамикой развития аммонифицирующих и нитрифицирующих микроорганизмов, что обуславливается непосредственным их участием в названных процессах. Однако связь их является корреляционной, а не функциональной, поскольку интенсивность процессов аммонификации и нитрификации определяется не только численностью данных микроорганизмов, а и условиями аэрации, влажности, температуры, наличием энергетического материала и др.
Полученные нами данные по содержанию доступного фосфора в почве, в период вегетации кукурузы за три года исследований при внесении соломы озимой пшеницы и сидеральных культур показывают, что различные виды удобрений вызывают различную мобилизацию фосфорных соединений.
Так, если в почве на контрольном варианте в течение вегетации кукурузы содержание подвижного фосфора составляло в среднем 102,30 мг/кг почвы, то на всех удобряемых вариантах было 124,54 - 170,54 мг/кг почвы. Наибольшее количество доступного растениям кукурузы фосфора было отмечено на вариантах с внесением соломы совместно с минеральными удобрениями и запашке соломы по сидеральному пару. Превышение это составляло 66,7 и 32,1 % соответственно (табл. 56).
При сравнении динамики Р2О5 и NO3, можно заметить, что максимумы их приурочены, к разным периодам - развития растений кукурузы.
Интенсивнее образуются нитраты в почве - содержание фосфатов уменьшается и наоборот, периоду с минимальным накоплением нитратов соответствует максимальное образование доступного фосфора. В литературе неоднократно отмечался факт обратной зависимости в динамике азота и
фосфора; интенсивные процессы нитрификации, способствующие накоплению нитратного азота, приводят к снижению содержания доступного фосфора в силу его поглощения нитрификаторами (Новогрудская Е.Д. 1968).
