Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Влияние агротехники возделывания сельскохозяйственных культур на их урожайность и плодородие почвы 10
1.1. Системы обработки почвы 10
1.2. Структурное состояние почвы 12
1.3. Плотность сложения 18
1.4. Содержание влаги .19
1.5. Продуктивность сельскохозяйственных культур 20
Глава 2. Условия и методика проведения исследований 23
2.1. Почвенно-климатические характеристики Центрально-Чернозёмного региона .23
2.2. Метеорологические условия в годы проведения исследований 24
2.3. Почва опытного участка 27
2.4. Программа и методика проведения исследований 28
2.5. Наблюдения и учёты 30
Глава 3. Изменение показателей структурного состояния чернозёма выщелоченного под влиянием культур севооборота, обработки почвы и удобрений 32
3.1. Гранулометрический и микроагрегатный состав 32
3.2. Структурно-агрегатный состав и водопрочность почвенных агрегатов 34
3.2.1 Предшественники озимой пшеницы 34
3.2.2. Озимая пшеница 36
3.2.3. Сахарная свёкла .38
3.2.4. Ячмень 40
Глава 4. Влияние агротехники возделывания сельскохозяйственных культур на плотность и твёрдость почвы 44
4.1. Плотность твёрдой фазы 44
4.2. Плотность сложения и дифференциальная пористость 46
4.2.1. Озимая пшеница 46
4.2.2. Сахарная свёкла .49
4.2.3. Кукуруза 52
4.3. Динамика плотности сложения почвы в посевах сахарной свёклы за вегетационный период .56
4.4. Динамика твёрдости почвы в посевах сахарной свёклы за вегетационный период .58
Глава 5. Режим влажности чернозёма выщелоченного в зависимости от обработки .61
5.1. Содержание влаги в почве .61
5.2. Водопотребление сельскохозяйственных культур 66
5.3. Эффективность использования влаги .69
5.4. Водопотребление сахарной свёклы в зависимости от погодных условий .71
5.5. Водно-физические свойства почвы 75
Глава 6. Изменение некоторых физических свойств чернозёма выщелоченного за две ротации севооборота .81
Глава 7. Влияние обработки почвы и удобрений на урожайность, экономическую и энергетическую эффективность возделывания культур .87
7.1. Урожайность .87
7.2. Энергетическая эффективность 89
7.3. Экономическая оценка .92
Заключение .94
Выводы .95
Предложения производству 98
Список использованной литературы 99
Приложения .128
Структурное состояние почвы
Чернозёмы – почвы, сформированные на глинистых отложениях четвертичного происхождения. Отличительная особенность этих отложений – пластинчатая структура, которая при механическом воздействии подвергается сильному уплотнению. В полевых условиях естественное разуплотнение почв после проходов тяжёлой сельскохозяйственной техники происходит через 2-3 года. Поэтому использование нулевой обработки почвы в агроэко-логических условиях Воронежской области при сложившемся земледелии и его культуре, возможно лишь на весьма ограниченных площадях на супесчаных почвах и лёгких суглинках (Адаптивно…, 2013).
Результаты применения комбинированной (отвально-безотвальной) обработки почвы в севооборотах различной специализации показывают положительное её влияние на плодородие почвы и урожайность культур (Витер, 1975; Гринев, 1986; Сдобников, 1988; Коломиец, Драган, 1988; Яров-ский, Максимчук, Манько, 1988; Зубенко, Якименко, 1989; Сидоров, 1989; Котоврасов, Павловский, Вадук, 1990; Калинин, Хрулев, 1990; Гулидова, 1990, 1998; Васильев и др., 1991; Белагурова, Коптеев, 1991; Богомазов, Шильников, Нетребенко, 1997; Агеев и др., 1997; Ладонин, Леринец, Крама-рев, 1997; Барнштейн и др., 1997; Аркуша, Буджерак, 1998; Котлярова и др., 2001; Доманов и др., 2001; Боронтов, 2001; Тараторина, 2002; Беленков, 2002; Вербицкий, 2003; Никульников, Боронтов, 2003; Трофимова, 2016).
Структурное состояние – наиболее достоверный интегральный показатель плодородия почвы (агрофизических факторов). Это вытекает из экспериментально установленных взаимосвязей большинства агрономически важных агрофизических свойств почв и её структуры (Николаев, 1975; Ско-рочкин, 1991).
Состояние структуры почвы непосредственно определяет параметры строения пахотного слоя. Капиллярная пористость агрегатов в структурной почве дополняется высокой некапиллярной пористостью межагрегатных промежутков. В структурной почве поддерживается наиболее благоприятное соотношение между объёмом твёрдой фазы и общей пористостью почвы. Заданное, агрономически наиболее благоприятное строение пахотного слоя, устойчиво поддерживается почвой в течение длительного времени. Почва сохраняет наиболее благоприятный интервал оптимальной плотности, который не выходит за рамки равновесной. В такой почве создаются благоприятные условия для поддержания оптимальных для возделывания растений водно-воздушного и теплового режимов (Качинский, 1959; Алов, 1960; Га-рифуллин, 1979; Акмурзин, 1982; Афанасьев, 1991; Бондарев, 1994; Бондар-чик, 1999; Ахтырцев, Лепилин, 2001).
Экспериментальные данные, подтверждающие тесную прямую зависимость строения пахотного слоя, водо- и воздухопроницаемости от структуры почвы, получены многими отечественными учёными. Так, по данным Н.П. Поясова и И.Б. Ревута макроагрегаты размером 1-2 мм, выделенные из чернозёмной почвы, пропускали до 1600 мм воды за час, а пылеватая фракция (менее 0,025 мм) меньше 1 мм за час. Бесструктурная почва в значительной большей степени подвержена водной и ветровой эрозии, чем структурная (Соколов, 1936; Воробьев и др., 1968; Воронин, 1986).
Мощными факторами воздействия на структурное состояние почвы являются минеральные и органические удобрения, а также механическое воздействие сельскохозяйственных орудий (Адерихин, 1964; Голянин, 1991; Боронтов, Никульников, 1998; Гниенко и др., 1998; Азыбов и др., 2001; Гар-машов, 2001; Королев, 2010; Боронтов, Арбузова, Королев, 2010).
В 1983-2001 годах во Всероссийском НИИ зернобобовых и крупяных культур В.М. Новиковым изучалась эффективность систем основной обработки почвы в зернопропашном севообороте. За 16 лет, за две ротации, он установил, что почва опытного участка обладала хорошим структурным состоянием. Агрегатов размером 10-0,25 мм содержалось в количестве 65-82 %. А применение поверхностной и плоскорезной обработок, по сравнению со вспашкой, привело к повышению показателя структурности на 0,7-1,9 единиц за счёт слоя 0-30 см, что связано с увеличением количества органического вещества в поверхностном слое почвы (Новиков, 2008).
Подобные результаты были получены в Белгородском НИИ сельского хозяйства в двух длительных полевых опытах (Иевлев и др. ,1997; Шелганов и др., 2009).
Исследования, проведённые во Владимирском государственном университете показывают, что при ежегодной безотвальной обработке на 6-8 см содержание илистой фракции увеличивается с 11 % в слое 0-10 см, до 50 % на глубине 1 м. При отвальной системе обработки наблюдается резкое изменение содержания илистой фракции. В районе формирования плужной подошвы почва наиболее грубодисперсна (Зинченко, Петрова, Зинченко, 2010).
Становится очевидным, что влияние почвообрабатывающих механизмов изменяет структуру почвы по профилю. А это, в свою очередь, ведёт за собой изменение агрофизических и физико-химических свойств почв, что напрямую влияет на плодородие почвы и получаемый урожай сельскохозяйственных растений.
Во Всероссийском НИИ сахарной свёклы и сахара в 2000-2008 годах изучалось влияние различных систем обработки почвы на структурный состав чернозёма выщелоченного. Было установлено, что система комбинированной основной обработки почвы повышала способность почвы к структу-рообразованию. Коэффициент структурности оказался на 7-15 % выше, чем при отвальной и безотвальной обработках. Также увеличился коэффициент водопрочности (Боронтов и др., 2005; 2010).
Из всего вышеизложенного можно сделать вывод, что наиболее благоприятным для формирования структурно-агрегатного состава является комбинированная и отвальная обработка почвы. Безотвальная же обработка увеличивает плотность почвы, что особенно неблагоприятно при возделывании пропашных культур, и она постепенно разрушает структуру почвы. Избежать этого можно лишь при внесении в почву оптимального количества органического вещества. Правильные севообороты являются важной составной частью системы земледелия – комплекса взаимосвязанных агротехнических, мелиоративных и организационных мероприятий, характеризующихся интенсивностью использования земли и способами повышения плодородия почвы.
С выращиванием сельскохозяйственных культур связано многостороннее и неоднородное воздействие на почву, как самого растения, так и комплекса агротехнических мероприятий. Сельскохозяйственные культуры с корневой системой различной мощности и физиологической активности, в разной степени обогащают почву органическим веществом и влияют на физические и физико-химические свойства не только пахотного, но и подпахотного горизонтов (Масютенко, 2014; Кузнецов, Масютенко, 2014).
Так, при введении в севооборот сидеральных паров и многолетних трав улучшается состояние структуры и водопрочности почвы. Мощная корневая система сидеральных культур и многолетних трав, проникая глубоко в почву, разрыхляет её и обогащает большим количеством органического вещества. Оптимальное структурное состояние для чернозёмных почв – это 60-80 % агрономически ценной фракции (частиц размером 0,25-10 мм). При применении сидеральных паров и многолетних трав этот показатель находится на уровне 67-75 %. Водопрочность по чистому пару составляет в среднем 40-50 %, а при применении многолетних трав может достигать 55-60 %. Следует также отметить, что на таких почвах складывается оптимальный водно-воздушный режим. Благоприятное состояние агрофизических и водно-воздушных условий активизирует микробиологическую деятельность в почве, что приводит в конечном итоге к лучшей обеспеченности растений элементами формирования урожая (Абанина, 2013).
Структурное состояние пахотного слоя почвы в значительной степени зависит от элементов агротехники возделывания культур. Так хорошая структура выявлена в зернотравяном севообороте при отвальной вспашке (Лазарев, 1996; Масютенко, 2014). Исследованиями установлено, что снижение интенсивности обработки почвы не оказало положительного влияния на показатели структурно-агрегатного состава чернозёмных почв. Длительное применение под все культуры севооборота безотвальных способов основной обработки почвы, свидетельствует об их распыляющем действии, которое еще более усиливается за счёт ежегодного воздействия на один и тот же (верхний) слой почвы ходовых частей и рабочих органов сельскохозяйственной техники (Гарма-шов, 1993; Трофимова, 1994; 2014).
Анализ влияния приёмов основной обработки почвы показал, что замена вспашки безотвальными обработками на чернозёме типичном не приводила к ухудшению структуры (Костычев, 1951; Шоу, Джексен, 1977; Чеботарев, 2004; Румянцев, Орлова, 2005; Булыгин, 2010; Болучевский, 2014).
Структурно-агрегатный состав чернозёма типичного значительно улучшается при использовании приёмов биологизации. Особенно это проявляется при возделывании озимой пшеницы по кулисно-мульчирующему пару люцерны синей. Это обусловлено тем, что в процессе трансформации органической массы зелёного удобрения образуются гуминовые кислоты, способствующие образованию структурных отдельностей (Martin, Waksman, 1940; Martin, 1946; Lynch, 1984).
На структурно-агрегатный и гранулометрический состав в значительной степени влияет также срок использования пашни и вносимые удобрения (Odenart, Yawonska-Kuleszo, Urbanowski, 1996; Danwish, Porsaud, Martenss, 1999; Королев, 2008; Минакова, 2011).
Анализ агрегатного состояния чернозёма выщелоченного при длительном применении удобрений выявил увеличение количества макроагрегатов размером 1-0,25 мм, и снижение количества пылеватой фракции. Наибольшее влияние на агрегатный состав чернозёма оказало внесение навоза и известкование (Suwara, 1996; Кильдюшкин, 2005; Куликова, 2008; Минако-ва, 2011).
Ячмень
Ячмень – культура, которая высевается после сахарной свёклы. В посевах ячменя установлены наименьшие коэффициенты структурности – 1,38, что свидетельствует об отрицательном влиянии возделывания сахарной свёклы, и прежде всего уборки, на данный показатель (таблица 7). Наибольший коэффициент структурности определён при отвальной вспашке – 2,33, а наименьший – при безотвальной обработке с применением удобрений – 1,38. Однако различия между вариантами опыта несущественны.
Водопрочность почвенной структуры оставалась на высоком уровне – коэффициент водопрочности по вариантам составил 0,88-0,90, что свидетельствует о высокой стабильности данного показателя в чернозёмах.
Послойное распределение структурных отдельностей в посевах ячменя показало, что верхний 0-15 см слой почвы без применения удобрений имел больший коэффициент структурности, чем слой почвы 15-30 см. Так, при отвальной обработке в верхнем слое коэффициент структурности составил 3,17, а в нижнем – 1,27 (приложение 9). При применении удобрений различия нивелировались – 2,85 и 2,05. При безотвальной обработке резкая дифференциация сохраняется как на контроле, так и на делянках с применением удобрений.
Коэффициент водопрочности почвенных агрегатов составил 0,87-0,90, что свидетельствует об устойчивости агрегатов чернозёма выщелоченного (приложение 10).
Культуры севооборота оказали различное действие на структурное состояние чернозёма выщелоченного. Для этого в таблице 8 обобщены коэффициенты структурности и водопрочности по 3-м системам обработки почвы в севообороте. Как оказалось, в паровом звене севооборота от чёрного пара к ячменю, происходит снижение коэффициента структурности без удобрений с 3,1 до 1,9, а с их использованием – с 2,3 до 1,9.
Безусловно, возделывание в севообороте клевера улучшало структурное состояние чернозёма выщелоченного. Так, в посевах клевера коэффициент структурности составил без удобрений – 3,8, а с их применением – 3,6. В посевах озимой пшеницы, посеянной после клевера – 4,9 и 2,9 соответственно. Положительное влияние клевера прослеживалось и в посевах сахарной свёклы, о чём также свидетельствуют ранее выполненные работы (Боронтов, 2003). Так, коэффициент структурности без удобрений составил 2,8, а с их применением 2,5; коэффициент водопрочности 0,88 и 0,89 соответственно.
Образование водопрочной стабильной структуры чернозёма выщелоченного таким образом, зависело от возделываемой культуры. Сельскохозяйственные культуры по степени положительного воздействия на структуру почвы, можно расположить, в среднем, следующим образом: озимые, посеянные по клеверу (коэффициент структурности 3,9); клевер (3,6); сахарная свёкла, чёрный пар (2,7); озимые по пару (2,4); ячмень (1,9) (рисунок 2).
При применении удобрений коэффициент структурности снижался, но установленное влияние культур и обработки почвы сохранялось.
Таким образом, структурный состав пахотного слоя чернозёма выщелоченного под культурами плодосменного севооборота изменялся определённым образом: лучший агрегатный состав определялся в озимой пшенице, посеянной по пару, и далее в порядке ухудшения структуры – клевер; сахарная свёкла; чёрный пар; озимая пшеница, посеянная по пару, ячмень. Вносимые удобрения ухудшали структуру пахотного слоя почвы при отвальной обработке на 14 %, при безотвальной – на 44 %, при комбинированной – на 7 %.
Наибольший коэффициент структурности был при безотвальной обработке без удобрений, наименьший – с их применением. Снижение коэффициента структурности при применении удобрений в чёрном пару наблюдалось на 26 % в посевах озимой пшеницы, по чёрному пару – на 4 %, по клеверу – на 41 %, в посевах сахарной свёклы после клевера – на 11 %.
Содержание влаги в почве
Определение запасов влаги по полям севооборота показало, что в поле с чередованием культур клевер – озимая пшеница – сахарная свёкла – однолетние травы – кукуруза – наибольшие запасы влаги были в 2010 году при посеве сахарной свёклы при комбинированной и безотвальной обработках – 306-307 мм/га (рисунок 3).
На рисунках 3, 4, 5 представлена динамика содержания влаги отдельно по 3-м полям севооборота. На основании результатов исследований установлено, что в 2008 году в посевах клевера весеннее содержание влаги в 0-10 см слое почвы составило 274-290 мм/га, в 0-50 см слое - 128-136 мм/га. Максимальное значение было при отвальной обработке. Осеннее определение показало большее содержание влаги в метровом слое при безотвальной обработке, а в 0-50 см слое – при комбинированной.
Динамика общей влаги в 2009 году показала, что весной в метровом слое под клевером содержалось в среднем 293 мм/га, а под озимой пшеницей – 283 мм/га. Максимальное значение соответствовало отвальной обработке почвы (рисунок 4). Содержание влаги при уборке клевера составило 226-243 мм/га, а при уборке озимой пшеницы – 203-227 мм/га.
Запасы весенней влаги в 2010 году также были достаточными для получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур. В посевах клевера содержалось 256-284 мм/га, в посевах озимой пшеницы – 193-284 мм/га, в посевах сахарной свёклы – 294-307 мм/га. Максимальные значения соответствовали комбинированной обработке, а минимальные – отвальной (рисунок 5).
Определение запасов влаги в 2011 году показало существенное их снижение – в посевах однолетних трав в 0-100 см слое почвы они составили 194-208 мм/га, в посевах сахарной свёклы – 204-225 мм/га, в посевах озимой пшеницы – 174-201 мм/га. В среднем, запасы влаги в метровом слое почвы снизились на 20 % в 0-50 см слое почвы и на 47 % в 0-100 см слое из-за засухи 2010 года.
Соответственно, запасы влаги перед уборкой культур также снизились и составили: в посевах однолетних трав – 184-191 мм/га; в посевах сахарной свёклы – 187-198 мм/га; в посевах озимой пшеницы – 144-166 мм/га. Запасы снижались в посевах однолетних трав на 10 %, в посевах сахарной свёклы – на 26 %, в посевах озимой пшеницы – на 20 %.
В 2012 году продолжилось восстановление весенних запасов влаги. Так, весенние запасы влаги в посевах сахарной свёклы составили в метровом слое почвы 204-225 мм/га, или на 14 % меньше, чем среднемноголетние зна чения. Запасы влаги при посеве кукурузы составили 218-247 мм/га, или 82 % от средних значений.
В 2013 году в посевах кукурузы запасы влаги составили 254-267 мм/га, в посевах однолетних трав – 204-228 мм/га, что составило уже 90 % от средних значений.
Восстановление весенних запасов влаги в почве после засухи 2010 года интенсивнее происходило в среднем при отвальной обработке, и медленнее – при комбинированной. Содержание влаги в слое почвы 0-50 см восстанавливалось быстрее, и в 2013 году соответствовало средним значениям.
В среднем, за 6 лет исследований было установлено, что весенние запасы влаги в посевах клевера не зависели от обработки почвы и составили в слое почвы 0-30 см – 68-70 мм/га, а в метровом слое – 255-256 мм/га (таблица 19). Предуборочное определение также не выявило существенных различий.
В посевах озимой пшеницы содержание общей влаги во время весеннего возобновления вегетации составило 61-66 мм/га в слое 0-30 см и 241-247 мм/га – в слое 0-100 см. Наблюдалось некоторое увеличение запасов влаги при безотвальной обработке. Осеннее определение также не выявило существенной разницы между показателями.
В посевах сахарной свёклы запасы влаги при комбинированной обработке увеличились по сравнению с отвальной на 4 %, а по сравнению с безотвальной – на 6 %, и составили 257 мм/га. Послойное распределение влаги также указывает на большее содержание при такой обработке. При осеннем определении большее содержание влаги оказалось при безотвальной и комбинированной обработках.
В посевах однолетних трав лучшая динамика влаги в почве наблюдалась при комбинированной обработке почвы. Так, при посеве в слое 0-30 см содержалось 64 мм/га влаги, в слое 0-50 см – 118 мм/га, в слое 0-100 см – 248 мм/га, что на 4-14 % выше, чем при других обработках. Перед уборкой запасы влаги составили в полуметровом слое 94 и 96 мм/га при безотвальной и комбинированной обработках, и 83 мм/га – при безотвальной. В метровом слое – 208, 219 и 210 мм/га соответственно.
В посевах кукурузы весенние запасы влаги в 0-100 см слое почвы составили 282 мм/га при безотвальной и комбинированной обработках и 288 мм – при отвальной. Перед уборкой количество влаги в почве составило 165-172 мм/га. В весенний период большие запасы влаги были в посевах кукурузы, меньшие – в посевах озимой пшеницы. Перед уборкой меньшие запасы влаги определялись в посевах кукурузы, большие – в посевах сахарной свёклы.
Таким образом, изучение динамики содержания влаги в почве показало, что основным фактором изменения режима влажности почвы являются погодные условия, а системы обработки почвы лишь в некоторой степени влияли на влажность чернозёма выщелоченного. Культуры севооборота влияли на влажность почвы вследствие различия в сроках вегетации и биологических особенностей растений.
Экономическая оценка
Ценность того или иного агроприёма заключается в получении большей урожайности, и значит, дохода. Однако иногда большие затраты не дают получить эффективный агроприём, поэтому любая научная разработка должна завершаться расчётом экономической эффективности.
При возделывании клевера затраты составили без удобрений 8,7 тыс. руб/га, а с их внесением увеличивались на 24 %. При этом выросли чистый доход и рентабельность (таблица 35). Установлено, что наибольший доход и рентабельность были при отвальной и комбинированной обработках с использованием удобрений. Чистый доход - 7,4-7,7 тыс. руб/га, а рентабельность 68 и 71 %. При безотвальной обработке рентабельность снизилась до 44 %.
Возделывание озимой пшеницы давало доход 5,9-9,8 тыс. руб/га, а рентабельность производства – 38-117 %. Наибольший доход и рентабельность были получены при отвальной и комбинированной обработках почвы без удобрений.
Наибольший экономический эффект при выращивании сахарной свёклы – 52-53 % рентабельности и чистый доход 17,5-17,9 тыс. руб/га получен при отвальной и комбинированной обработках почвы. Однако чистый доход при применении удобрений немного снизился, и составил 17,1-17,5 тыс. руб/га, но при этом стоимость продукции , а значит и выручка, возросла на 51 %.
Возделывание однолетних трав без применения удобрений убыточно, а лучшей обработкой является комбинированная или отвальная, где уровень рентабельности составил 58 и 46 %.
Для возделывания кукурузы лучше использовать отвальную обработку в севообороте с использованием удобрений – уровень рентабельности при этом 45 %, а чистый доход – 10,0 тыс. руб/га.
На основе сопоставления полученных результатов исследований, с опубликованными в периодической печати данными о влиянии агротехники возделывания на сельскохозяйственные культуры и плодородие почвы можно сделать заключение, что физические показатели чернозёма выщелоченного при всех изученных антропогенных воздействиях (обработка почвы, удобрения, культуры плодосменного севооборота) находились в оптимальных, для культур значениях. Данное обстоятельство свидетельствует о большой устойчивости чернозёма благодаря высокому содержанию в нём органического вещества (гумуса). Применяя удобрения, комбинированную обработку почвы в севообороте и многолетние травы (клевер), возможно улучшение физических свойств чернозёма выщелоченного, повышение устойчивости растений к неблагоприятным условиям и рост их урожайности.