Эффективность органических и минеральных удобрений в севообороте на серых лесных почвах Владимирского ополья

Для современного земледелия характерны рост затрат невосполнимой энергии на каждую дополнительную единицу урожая, все большая зависимость продуктивности и экологической устойчивости агроэкосистем от антропогенной деятельности (применения удобрений, пестицидов, мелиорантов, современной сельскохозяйственной техники), а при необоснованном воздействии все возрастающие масштабы разрушения и загрязнения природной среды.

Дальнейшее развитие систем земледелия связано с адаптивным направлением, которое ориентируется на сохранение среды обитания и улучшение качества жизни человека. Основными факторами адаптации земледелия являются биологизация (увеличение размеров использования в севооборотах симбиотически связываемого азота, более широкое применение в земледелии диазотрофов) и экологизация продукционных процессов (предотвращение эрозионных процессов, биологической эрозии — разрушения и снижения содержания гумуса, ухудшения пищевого режима и физико-химического состояния среды обитания растений, интенсивного разрушения минеральной составляющей почв, деградации почвенной структуры, а также загрязнения почв и продукции тяжелыми металлами, нитратами, пестицидами и их метаболитами и др.) — дифференцированное использование природных, биологических, техногенных, трудовых и других ресурсовконструирование экологически устойчивых и высокопродуктивных агроландшафтов и агроэкосистемповышение продукционной, средообразующей и почвозащитной роли культивируемых видов и сортов растений.

Система земледелия состоит из большого количества элементов. В настоящее время для лучшего управления их объединяют по основополагающим функциям в крупные блоки: агротехнический, мелиоративный, организационно-экономический, экологический.

Важнейшим звеном агротехнического блока является система удобрения и химическая мелиорация.

Система удобрения — обязательное и экономически наиболее эффективное звено адаптивно-ландшафтной системы земледелия в каждом почвенно-климатическом районе. Она основана на знании свойств и взаимоотношений растений, почвы и удобрений. Это обеспечивает агрономически и экономически наиболее эффективное и экологически безопасное применение удобрений и мелиорантов в конкретных природно-экономических условиях любого хозяйства в каждом севообороте.

Система удобрения базируется на всестороннем обосновании видов, доз, соотношений, форм, сроков и способов применения удобрений и мелиорантов, определенных с учетом биологических особенностей и чередования возделываемых культур, фактического плодородия почв для получения экономически окупаемых урожаев с одновременной оптимизацией показателей плодородия почв.

Актуальность исследования. Стратегия земледелия в XXI веке будет состоять из двух основных направлений — интенсификации и экологизации. Основная цель его — удовлетворение потребностей человека в продуктах питания, обеспечение продовольственной безопасности страны и ее независимости, высокой окупаемости агротехнических приемов и стабилизация земледелия.

Среди факторов, повышающих урожайность сельскохозяйственных культур и продуктивность севооборотов в условиях Нечерноземной зоны России, на долю известковых, минеральных и органических удобрений приходится 65−75%, на долю средств защиты растений, обработок почвы и сортов — 25−35%. Поэтому радикально повысить продуктивность земледелия можно только путем его интенсификации. В зависимости от почвенно-климатических условий прибавки только от применения органических и минеральных удобрений могут достигать 50−70%. Так как основным звеном систем земледелия являются севообороты, то разработка применения в них доз и соотношения элементов питания под культуры, влияние их на плодородие почвы, высоту урожая и качество продукции является актуальной задачей. Особенно слабо разработаны вопросы эффективного использования средств химизации для серых лесных почв Владимирского ополья, характеризующихся рядом особенностей, влияющих на эффективность применяемых удобрений и мелиорантов.

Цели и задачи работы. Разработать научные принципы экологически безопасного и экономически эффективного применения извести, органических и минеральных удобрений в севообороте на серых лесных почвах Владимирского ополья. В соответствии с поставленной целью для серых лесных почв Ополья решались следующие задачи:

1. Изучить последействие извести и закономерности действия и взаимодействия органических и минеральных удобрений на урожайность культур 8-польного севооборота и его продуктивность;

2. В зависимости от систем удобрения определить размеры и эффективность использования влаги культурами 8-польного севооборота;

3. Выявить особенности питания полевых культур азотом;

4. Изучить влияние органических и минеральных удобрений на состояние фосфорно-калийного режима серой лесной почвы;

5. Установить влияние удобрений на изменение химических и физико-химических свойств серых лесных почв Владимирского ополья;

6. Исследовать влияние удобрений на качество продукции культур 8-польного севооборота;

7. Оценить круговорот биогенных элементов в севообороте;

8. Разработать экологически безопасные, экономически эффективные системы удобрения в 8-польном севообороте.

Научная новизна работы. В условиях Владимирской области в 8-польном севообороте стационарного опыта установлена определяющая роль азотных удобрений на урожайность и качество зерновых, пропашных культур и однолетних трав, вынос ими основных элементов питания, продуктивность культур. Выявлены математические зависимости урожайности возделываемых культур и продуктивности севооборота от уровня применения удобрений. Экспериментально подтверждена возможность использования влаги культурами севооборота из подпахотных горизонтов серых лесных почв до метровой глубины и ниже. Установлено, что общие размеры ее использования из подпахотных горизонтов (до 72 мм) слабо зависели от систем удобрения, известкования. Заметно сильнее они варьировали по годам (от 0 до 70 мм) и культурам (от 15−20 до 60 мм). Наиболее эффективно использовалась влага при внесении полного минерального удобрения и сочетании его с навозом (4,7−8,7 против 6−13 мм/ц з.е. в вариантах без удобрений).

Впервые для Владимирской области установлено определяющее влияние запасов нитратного азота в слое почвы 0−40 см, накопившихся в ранние фазы развития культур, на величину урожая. Показано, что коэффициент использования запасов нитратного азота (49−65%) до середины вегетации в несколько раз выше, чем запасов аммонийного азота (8−16%).

Показано положительные действие длительного применения удобрений на агрохимические свойства почвы. Во второй ротации по сравнению с первой при продолжающемся применении систем удобрения установлено дальнейшее повышение содержания подвижного фосфора (на 654 мг Р2О5 на 1 кг почвы), обменного и водорастворимого калия (на 1−45 мг К20 на 1 кг почвы), стабилизация содержания гумуса.

На основе исследований круговорота биогенных элементов впервые разработаны системы применения удобрений в севообороте, обеспечивающие высокую их окупаемость и сохранение плодородия серых лесных почв.

Практическая ценность работы. Тема работы являлась составной частью исследований программы «Плодородие». Результаты их были использованы при разработке рекомендаций по применению средств химизации в севооборотах на серых лесных почвах Владимирского ополья (Владимир, 2005; Владимир, 2010). Полученные экспериментальные данные являются теоретической основой для эффективного применения удобрений в адаптивных технологиях возделывания основных сельскохозяйственных культур в севооборотах во Владимирском ополье.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 26 работ, в том числе четыре в журналах перечня ВАК. Основные положения диссертации изложены в 19 работах.

Апробация работы. Результаты проведенных исследований ежегодно докладывались на заседании Ученого совета Владимирского НИИСХ Россельхозакадемии и включены в научные отчеты отдела агрохимии и экологии. Основные положения диссертационной работы обсуждались и получили положительную оценку на научно-практической конференции в Ивановской ГСХА (Иваново, 2002), на международных научно-практических конференциях во Владимирском государственном университете (Владимир, 2002), в Ивановской ГСХА (Иваново, 2005), во Владимирском государственном университете (Владимир, 2005), во ВНИИЗиЗП от эрозии (Курск, 2005), в Ивановской ГСХА им. Д. К. Беляева (Иваново, 2007, 2009), Всероссийской научно-практической конференции ГНУ ВНИИСХ Россельхозакадемии (Суздаль, 2008).

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 180 страницах компьютерного текста, включает 74 таблицы и 4 рисунка. Состоит из введения, 9 глав, выводов и предложений производству. Библиографический список включает 163 наименования, в том числе 4 зарубежных авторов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Без применения удобрений средняя продуктивность изучаемого 8-польного севооборота на серых лесных почвах Ополья составила 32,9 ц/га з.е. Известкование (фон) не привело к ее повышению. По сравнению с фоном одни фосфорно-калийные удобрения повысили ее с 30,9 до 33,8 ц/га з.е., а полное минеральное удобрение в одинарной (N48P40K42) и двойной N84P80K85) дозах — соответственно до 39,6 и 41,6 ц/га з.е. При применении среднегодовых доз навоза 5−10 т/га прирост продуктивности против фона составил 4,0−4,9 ц/га з.е. Максимальная продуктивность севооборота 43,3 ц/га з.е. достигнута при сочетании двойной дозы NPK со среднегодовой дозой навоза 10 т/га. Повышение продуктивности севооборота от одинарной дозы NPK составило 28,2%, от ее двойной дозы — 34,6, сочетания навоза с двойной дозой NPK — 40,1%.

2. В севообороте наиболее высокая окупаемость 1 кг д.в. удобрений прибавкой урожая в кг з.е. достигнута в варианте применения одинарной дозы NPK (6,7) и 5 т/га навоза (6,6). Увеличение доз полного минерального удобрения и навоза снизило окупаемость 1 кг д.в. их до 4,3−4,0 кг з.е. При сочетании 5−7,5 т/га навоза с одинарной дозой NPK этот показатель возрос до 5,2−5,0 кг з.е., а при применении фосфорно-калийных удобрений (Р40К42) и их сочетания с навозом, сочетания навоза с двойными дозами NPK уменьшился до 3,2−3,6 кг з.е.

3. Максимальные запасы подвижных форм азота в слое почвы 0−40 см под возделываемыми культурами наблюдались в весенний период. В зависимости от уровня применения удобрений средние запасы N-N03 варьировали от 44 до 150 кг/га, а N-NH4 — от 170 до 197 кг/га. Выявлена определяющая роль нитратного азота в обеспечении потребностей культур в азоте. До середины вегетации растения поглощают от 49 до 65% исходных запасов нитратного азота из слоя почвы 0−40 см. За этот же период доля поглощения весенних запасов аммонийного азота колебалась от 8 до 16% в том же слое.

Накопление нитратного азота в серой лесной почве в первую очередь обязано протекающим нитрификационным процессам. В умеренно засушливых и засушливых условиях нитрификационные процессы лимитируются недостатком влаги, а в избыточно влажные годы — дефицитом кислорода в переувлажненной почве.

4. По сравнению с 1-й во 2-й ротации севооборота нормативы затрат удобрений для дальнейшего повышения подвижных форм элементов питания заметно возрастают.

Погодные условия в год определения действия остаточных количеств элементов питания оказывают определяющее влияние на величину нормативных затрат за ротацию. Как для фосфора, так и для калия нормативы затрат удобрений резко увеличиваются в засушливые и острозасушливые годы, в избыточно влажные и увлажненные годы они наименьшие. Во влажные годы происходит активная мобилизация почвенных запасов фосфора и значимый переход необменных форм калия в обменные формы, а последних в жидкую фазу.

5. Общий расход влаги культурой из метрового слоя почвы слабо варьирует от степени ее удобренности. Однако коэффициент водопотребления резко снижается от вариантов без применения удобрений к вариантам с внесением навоза, его сочетания с полным минеральным удобрением.

В засушливые и умеренно влажные годы независимо от биологических особенностей возделываемые полевые культуры из слоя почвы 40−100 см используют 40−60 мм (до 70) влаги. Это позволяет им переносить относительно длительные периоды засухи, стабилизировать урожайность, сохранять достаточно высокую окупаемость прибавкой применяемых удобрений.

Во влажные и избыточно влажные годы использование влаги сельскохозяйственными культурами из глубоких слоев уменьшается во много раз.

6. На серых лесных почвах Владимирского ополья во 2-й ротации севооборота при систематическом применении минеральных и органических удобрений, запахивании соломы зерновых культур сохранялась высокая роль фосфорных и калийных удобрений в повышении гидролитической кислотности серой лесной почвы, особенно в засушливые годы, проявилось снижающее ее величину действие аммиачной селитры, в соответствующих вариантах опыта не наблюдалось изменений в содержании гумуса.

7. Под влиянием азотных удобрений и навоза повышалось содержание сырого белка в зерне зерновых культур, клубнях картофеля, сырого протеина в сене однолетних трав. Однако азотное удобрение уменьшало содержание крахмала в клубнях картофеля и сырого протеина в сене бобово-злаковых трав из-за снижения доли бобового компонента в травостое.

В зерне овса и клубнях картофеля при неблагоприятных погодных условиях под влиянием двойных доз полного минерального удобрения и последействия высоких доз навоза содержание нитратов может повышаться до величин близких к ПДК. В такие годы доза азотных удобрений под картофель не должна превышать 100 кг N на 1 га, а под чистые посевы овса — 80 кг/га N.

8. За 2-ю ротацию 8-польного севооборота наиболее сбалансированным по соотношению элементов питания является сочетание одинарной дозы полного минерального удобрения (НюР^Ь^г) с 5,0−7,5 т/га подстилочного навоза. В этом случае отмечается близкий к нулевому значению баланс азота и калия и небольшой положительный баланс фосфора (20−27% от среднегодового прихода фосфора с удобрениями).

9. Во 2-й ротации севооборота средние по 3-м полям разностные коэффициенты использования основных элементов питания из полного минерального удобрения составили: 58−68% для азота, 27,7−17,7% для фосфора, 50−68% для калия. По сравнению с 1-й ротацией во 2-й они возросли на 2−14%. Использование элементов питания из органических удобрений составляет: азота -36−50%, фосфора — 21−35%, калия — 26−39%. При систематическом применении минеральных и органических удобрений на серых лесных почвах Ополья существенно повышается доступность основных элементов питания.

При органической и органо-минеральной с РК удобрениями, фосфорно-калийной системами удобрения коэффициенты использования одинаковых доз элементов питания значительно ниже, чем при соответствующих системах с полным минеральным удобрением.

10. На основе балансовых коэффициентов использования основных элементов питания органических и минеральных удобрений, их последействия были разработаны системы применения минеральных удобрений в 8-польном севообороте на фоне различных доз навоза крупного рогатого скота (0, 40, 60 и 80 т/га), вносимого в занятом пару. По сравнению с использованными в опыте системами внедрение в производство разработанных повышает окупаемость 1 кг д.в. удобрений на 3−39%.

На серых лесных почвах Ополья лишь на основе органо-минеральной системы удобрения (5−8 т навоза и N30.40P30−45K35.40 на 1 га севооборотной площади), запахивания соломы зерновых культур можно стабилизировать их плодородие и обеспечить высокую окупаемость минеральных удобрений и навоза.

Предложения производству.

1. Для почвенной диагностики питания растений предлагается определять запасы нитратного и аммонийного азота в серых лесных почвах в начале вегетации культур по данным химического анализа нитратов в почве и рассчитываемой их доле в мобильном фонде азота.

2. На серых лесных почвах Ополья в севообороте занятой пар — озимая рожь — картофель — овес — травы 1-го года пользования — травы 2-го года пользования — яровая пшеница — ячмень при минеральной системе удобрения рекомендуется под зерновые культуры применять Ы40−50Р40−60К40−60, картофель Ш00Р60−70К90−100. В звене севооборота овес с подсевом трав (после картофеля) — травы 1-го года пользования — травы 2-го года пользования должны вноситься только фосфорно-калийные удобрения (Р40−50К40−50), под викоовсяную смесь (занятой пар) — только азотные (N40−60).

3. При применении N60 под викоовсяную смесь и 60 т/га навоза после ее уборки (занятой пар) дозы минеральных удобрений под последующие культуры севооборота должны быть следующими: под озимую рожь N40, картофель.

Ы60Р40К70, овес с подсевом трав Р30К40, травы 1-го года пользования Р40К40−50, травы 2-го года пользования Р40К40, яровую пшеницу № 0Р40−50К60, ячмень Ы50Р40−50К40.

Заключение

.

Экспериментальные данные показали, что размеры потребления влаги из глубоких горизонтов серых лесных почв Владимирского ополья зависят в основном от погодных условий, уровня применения органических и минеральных удобрений. Биологические особенности полевых культур изучаемого севооборота в меньшей мере влияют на этот показатель.

Запасы ежегодно пополняемой в весенний период влаги можно повышать путем увеличения глубины основной осенней обработки и разрушения плужной подошвы, нарезки полос в начале снеготаяния (указанный способ сохранения влаги должен широко применяться на склоновых землях).

Важную роль в снижении потерь влаги на почвах Ополья играет и известкование кислых почв. При этом происходит коагуляция почвенных коллоидов, особенно стабилизированных кислым органическим веществом, что улучшает структурное состояние почв и повышает их фильтрационные свойства, уменьшая размеры стока талых вод. Этот прием обязателен на смытых и сильно смытых серых лесных почвах.

Наиболее высокие потери влаги наблюдаются после озимых на картофеле и ячмене и после картофеля на овсе. Для существенного их уменьшения нужно высевать пожнивные и послеуборочные промежуточные культуры (яровые рапс и сурепицу, редьку масличную и др.). Потребление ими влаги будет способствовать увеличению впитывания ее весной в период снеготаяния.

ГЛАВА VII. ИЗМЕНЕНИЕ КИСЛОТНОСТИ И ГУМУСОВОГО СОСТОЯНИЯ СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ ПРИМЕНЕНИИ УДОБРЕНИЙ.

7.1. Влияние удобрений на кислотность серых лесных почв Ополья.

Вопросы влияния удобрений на изменение кислотности почв и в настоящее время являются актуальными, но остаются еще дискуссионными [1,2,7,19,74,118,126,131,144,154]. Так, на дерново-подзолистых почвах Нечерноземья определяющая роль в их подкислении отводится применению физиологически кислых удобрений [154], в т. ч. и аммиачной селитры. Но на почвах Приангарья [74] не выявлено самостоятельной роли азотных удобрений на повышение кислотности. Е. П. Проценко (2004) повышение pHKci и нитрификационных процессов на склонах южной экспозиции связывается с повышением теплового режима. Особое внимание в подкислении серых лесных почв Ополья отводится применению водорастворимых фосфорных удобрений: простому и двойному суперфосфату [110].

Исследования по влиянию удобрений на динамику кислотности серых лесных почв продолжали в стационарном опыте по изучению систем удобрения во 2-й ротации 8-польного севооборота.

В табл. 43 приведены данные по влиянию удобрений на гидролитическую кислотность серой лесной почвы в конце 1-й и 2-й ротаций 8-польного севооборота по результатам наблюдений на первом повторении каждой закладки (каждого поля), а в табл. 44 изменение ее во 2-й ротации севооборота по сравнению с 1-й.

Видно, что на полях 1 и 2 соответственно в 2006 и 2007 гг., характеризующихся недостаточным и неравномерным выпадением осадков за вегетационный период, возрастание гидролитической кислотности по сравнению с 1-й ротацией (1998;1999 гг.) весьма высокое по всем вариантам опыта. В эти годы наблюдали и наиболее высокие величины норматива затрат удобрений на повышение подвижного фосфора на 10 мг/кг почвы (см. табл. 34).

Вариант Нр в конце 1-й ротации по годам и полям Нг в конце 2-й ротации по годам и полям Среднее ДНГ за 2-ю ротацию по сравнению с 1 -й ротацией.

1998, поле 1 1999, поле 2 2000, поле 3 средняя 2006, поле 1 2007, поле 2 2008, поле 3 средняя.

1 .Контроль 2,80 3,24 2,45 2,83 3,32 3,67 2,45 3,15 0,32.

2.Известь (фон) 2,42 2,18 1,93 2,18 3,30 2,97 1,92 2,73 0,55.

З.Фон + Р320К340 2,69 2,27 1,75 2,24 3,50 3,32 1,92 2,91 0,68.

4.Фон + Ю80Р320К340 2,18 2,59 1,58 2,12 3,35 3,15 1,85 2,78 0,66.

5.Фон + № 75Р640К680 2,45 2,88 1,84 2,39 3,52 3,67 1,92 3,04 0,65 б. Навоз 40 т/га 1,92 1,75 1,92 1,86 2,62 2,80 2,07 2,50 0,64.

7.Навоз 60 т/га 2,45 2,10 1,57 2,04 3,15 2,80 1,80 2,58 0,54.

8.Навоз 80 т/га 1,99 1,93 1,58 1,83 2,27 2,80 1,75 2,27 0,44.

9. Навоз 40 т/га + Р320К340 1,84 2,10 1,53 1,82 3,32 3,50 1,57 2,80 0,98.

10. Навоз 40 т/га + Ю80Р320К340 2,54 2,40 1,49 2,14 3,50 3,15 1,60 2,75 0,61.

11. Навоз 40 т/га + Ы675Р640К680 2,54 2,80 1,75 2,36 3,75 3,67 1,92 3,11 0,75.

12. Навоз 60 т/га + Р320К340 2,27 2,27 1,57 2,04 3,32 3,50 1,75 2,86 0,82.

13. Навоз 60 т/га + Ю80Р320К340 2,27 2,36 1,49 2,04 3,30 3,15 1,75 2,73 0,69.

14. Навоз 60 т/га + К675Р640К680 1,92 2,54 1,58 2,01 3,32 3,67 1,92 2,97 0,96.

15. Навоз 80 т/га + Р320К340 2,19 2,54 1,84 2,19 3,50 3,47 2,10 3,02 0,83.

16. Навоз 80 т/га + Ш80Р320К340 2,27 2,10 1,31 1,89 3,15 2,80 1,75 2,57 0,68.

17. Навоз 80 т/га + № 75Р640К680 2,10 2,53 1,40 2,01 3,32 3,67 1,92 2,97 0,96.

Это свидетельствует о прочном закреплении фосфат-ионов пахотным слоем серых лесных почв, что подтверждает представления Окоркова В. В. [107, 110] о возможности адсорбции ими ионов Н2РО4″ в качестве потенциалопределяющих с переходом иона второй кислотной группы в обменное состояние. В то же время в избыточно влажном 2008 году, когда за вегетационный период осадков выпало в 1,8 раза больше, чем по многолетним данным, изменение этого показателя было существенно более низким (табл. 43, 44). В этом году и норматив затрат удобрений оказался невысоким (79 кг Р2О5 на 10 мг/кг почвы подвижного фосфора). Очевидно, в этом случае происходила высокая мобилизация фосфатов почвы, протекающая с меньшим изменением реакции среды.