Современная стратегия механизации внесения удобрений

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Современная стратегия механизации внесения удобрений

Н.И. Дудко, А.Н. Шершнев, Е.С. Яцук

Аннотация

известковый кислотность почва плодородие

В статье изложены теоретические предпосылки по определению вносимых доз известковых материалов для устранения кислотности различных типов почв. Обоснована зависимость урожая сельскохозяйственных культур от вносимых доз химмелиорантов и обозначен способ выравнивания плодородия почвы.

Annotation

The article presents theoretical prerequisites for the determination of the dozes of liming materials for the elimination of acidity of different types of soil. We have based the dependence of yield of crops on the dozes of chemical melioration substances and suggested a method for making the soil fertility even.

Введение

Современное сельское хозяйство немыслимо без широкого применения химических веществ. Применение минеральных и органических удобрений является одним из наиболее значимых факторов, влияющих как на состоянии плодородия почв, так и на их продуктивность.

По данным отечественных и зарубежных специалистов, на формирование урожайности сельскохозяйственных культур оказывают влияние три основных фактора: обработка почвы, сортность культур и удобрения. При этом на долю первых двух факторов относят по 25 %, а на удобрения - от 41 до 50 %. Доля энергозатрат минеральных удобрений в растениеводстве Республики Беларусь достигает 42 %.

Одним из важнейших требований, предъявляемых к машинам для внесения удобрений, является качество выполнения технологического процесса, которое в конечном счете определяет эффективность их использования. В ходе выполнения технологических операций по внесению удобрений необходимо постоянно контролировать соответствие качественных показателей агротехническим требованиям, заданным в типовых операционных технологиях.

Основными критериями качества выполнения работ машинами для внесения удобрений является отклонение фактической дозы внесения от заданной, неравномерность внесения по площади поля, отклонение фактической глубины заделки от установленной (при внутрипочвенном локальном внесении), а также нестабильность дозы и ширины захвата.

Известно, что снижение неравномерности внесения удобрений на 1 % ведет к увеличению прибавки урожая за их счет на 1 %, и наоборот, т. е. существует прямая зависимость между неравномерностью внесения и эффективностью применения удобрений.

Подсчитано, что из-за неравномерности внесения удобрений сельское хозяйство страны ежегодно недополучает около 600 тыс. тонн зерна и большое количество другой сельскохозяйственной продукции. Если учесть, что на производство 1 т зерна совокупные затраты энергоресурсов в среднем составляют 28-30 кг топлива, то с точки зрения энергосбережения это означает, что по существу теряем примерно 17000 т топлива в год.

Показатель неравномерности распределения удобрений сверх допускаемого уровня должен рассматриваться не только как причина недобора урожая сельскохозяйственных культур, но и как причина потерь самих удобрений.

Анализ источников

В Республике Беларусь в 2011 г. было запланировано применить 14 тыс. тонн химических средств защиты растений, внести около 9 млн. тонн твердых минеральных удобрений и более 40 млн. тонн твердых органических удобрений, произвестковать 425 тыс. гектаров пашни, на которые необходимо было внести почти 2 млн. тонн доломитовой муки [1]. Это огромный, быстро окупаемый и эффективный ресурс, но он был использован недостаточно эффективно [2, 3]. Окупаемость 1 кг минеральных удобрений (NPK) зерном в последние годы колеблется в среднем от 4,5 до 5,5 кг, а потенциальные их возможности - 8-10 кг. В целом по стране применение органических удобрений и известковых материалов нельзя считать удовлетворительным. Так, ежегодно накапливаемый полужидкий навоз в объеме 10 млн. тонн практически в почву не вносится [3, 4, 5].

Кислые почвы имеют низкое плодородие. В них заметно хуже протекают биологические и химические процессы, ниже усвояемость питательных веществ как из почв, так и из удобрений. Наличие кислых земель и, как следствие, пониженная эффективность (до 50 %) минеральных и органических удобрений на этих почвах приводит ежегодно к значительному недобору сельскохозяйственной продукции, что в свою очередь отрицательно сказывается на экономике хозяйства. Для повышения плодородия кислых почв одним из агроприемов является известкование. При внесении извести прекращается процесс деградации почвы, повышается ее потенциальное и эффективное плодородие. В последние годы в республике для известкования кислых почв используется около 3 млн. тонн пылевидных мелиорантов.

Методы исследования

В настоящее время в 70 районах республики отмечен процесс подкисления почв, 47 - произошло снижение запасов в почвах фосфора, в 45 - калия, в 69 - гумуса. Для проведения дифференцированного внесения удобрений и известкования почв необходимо составить подробную агрохимическую карту поля. Согласно «Методическим указаниям» [6] при агрохимическом обследовании почв делают 30-35 укладов, т. е. отбирают 30-35 проб общим весом 0,6 кг на каждом участке (средний размер участка - 10 га, а при однородности почвенного покрова угодий и больших полях севооборотов - 20 га). Такие мизерные анализы дают только среднее значение элементарного участка и не отражают всей фактической пестроты его плодородия. Объем этих данных не позволяет составить полноценную агрохимическую карту поля.

1. Основная часть

Известно, что окупаемость минеральных удобрений и химических мелиорантов в поле не соответствует прогнозируемой [9]. Это определяется рядом факторов, главнейший из которых - неравномерное распределение удобрений между зонами питания растений.

При этом считается определяющим распределение вносимых удобрений, а исходная пестрота питательных элементов по площади поля практически не принимается во внимание, хотя в ряде случаев именно эта причина является главной. Рассмотрим этот аспект на примере химической мелиорации.

Такой подход справедлив для всех элементов питания, функция отклика которых имеет максимум и последующую нисходящую ветвь, вызванную повреждением растений при чрезмерных дозах факторов роста. Несомненно, такой подход справедлив прежде всего для таких элементов питания, как азот, фосфор, калий.

Получены данные продуктивности дерново-подзолистых почв в зависимости от степени их кислотности по 1020 опытам Геосети Агрохимслужбы Беларуси для суглинистых и супесчаных почв (табл. 1, колонки 1 и 2) [7, 8, 10].

Для перехода от кислотности к дозам внесения химических мелиорантов воспользуемся табл. 1, в которой содержатся данные о потребности в известковых материалах при различной кислотности почвы (табл., колонка 3).

Аппроксимируем эти данные для суглинков. Средняя доза СаСО3(т/га), потребная для устранения кислотности рН, в этом случае составит:

Pr=18.63-2.52pH.

Потребность в известковых материалах для суглинков при рН=4,5 будет равна:

Pr4,5=18.63-2.524,5.

Влияние доз извести на урожай для суглинистых почв

Чтобы достичь соответствующей кислотности, необходимо внести химические мелиоранты в количестве:

Дr4.5=Pr4,5-Pr=2.52(pH-4.5) т/га. (1)

Зависимость урожая (столбец 2) от вычисленных таким образом доз химмелиорантов (столбец 5) сглаживалась полиномом второго порядка вида:

У=а+ВД-СД2, (2)

где У - урожай в кормовых единицах, ц/га; а, В,С - постоянные для каждого уровня плодородия почвы размерные коэффициенты; Д - доза мелиоранта (действующее вещество), т/га.

Таким образом, для суглинков при исходной кислотности рН=4,5:

Угк=47.3+4.86Дr4.5-0.62Д2r4.5. (3)

Максимум урожая будет при известковании до кислотности 6,06 и составит 56,81 зерновых единиц при внесении 3,92 т/га СаСО3.

При неравномерном внесении доза мелиоранта может рассматриваться как величина случайная. Определим математическое ожидание урожая (выражение 2):

M[У]==a+B-CД2-CDД,

где DД - дисперсия распределения мелиоранта.

DД/2=( W/100)2,

где W, % - коэффициент вариации распределения химмелиоранта в почве.

С учетом этого:

=a+B-CД2-[1+(W/100)2]. (4)

Для суглинков с учетом выражения (3) получим:

Угк=47,3+4,86Дr4.5-0.62Д2r4.5[1-(W/100)2].

Максимальный урожай при равномерности внесения (W = 0) составляет 56,9 ц/га (рис.). Для реальных условий, когда неравномерность распределения составляет, например, 75 %, излишние дозы мелиорантов в местах поля, где доза оказалась выше оптимально допустимой, урожайность резко падает. Средняя величина по всему полю в нашем случае составит 51,5 ц/га, т. е. на 5,3 ц/га меньше, чем ожидалось при равномерном известковании. В этом случае снижение дозы внесения до 2,51 т/га - на 1,41 т/га - позволяет получить при неравномерности 75 % максимальный для таких условий урожай в 53,4 ц/га. Потеря урожая составит 3,4 ц/га - на 1,9 ц/п меньше, чем при первоначальной дозе СаСО3. Таким образом, неравномерность внесения известковых материалов вынуждает снижать средние дозы их внесения. Аналогична ситуация и для супесчаных почв.

Рис. 1 Влияние доз извести на урожай для суглинистых почв при неравномерности внесения 0,25, 50 и 75 % и рН =4,5

Для оценки величины исходной кислотности перенесем начало координат зависимости (3) функции урожая от дозы и неравномерности внесения химических мелиорантов в условную точку, где урожай был бы на суглинках при равномерном распределении мелиоранта нулевой:

0=47,3+4,86Хro-0,62Х2ro.

Откуда

Хro=-5,65т/га.

Тогда выражение примет вид: Уr=12,0Хr-0,62Х2r.

Для устранения кислотности рН=4,5 требуется мелиорант в количестве (выражение 1) 7,29 т/га, а для смещения кислотности от величины в точке нулевого урожая - до рН=4,5 - 12,6 т/га. Кислотность в этой условной точке нулевого урожая для суглинков рНro=2,61.

Аналогично (3; 4) для супесей урожай:

Уц=15,8Хп-1,4Хп2.

Соответственно кислотность в условной точке нулевого урожая для супесей рНпо=3,06.

Известно, что для нескольких независимых случайных величин общая дисперсия равна сумме дисперсий этих величин.

В результате известкования кислотность почвы изменяется и зависит от распределения исходной кислотности почвы, которую можно рассматривать как наличие или недостаток известкового материала в отдельных точках поля, качества мелиоранта и внесенной дозы, которая в свою очередь зависит от способа внесения, типа рабочих органов машины, их исправности, точности вождения агрегата и других факторов. Названные факторы, влияющие на кислотность почвы, примерно одинакового порядка значимости, поэтому можно считать, что они подчиняются нормальному закону распределения случайных величин.

Величина этой дисперсии не меньше, чем дисперсия внесения мелиоранта в предыдущем цикле известкования, так как имеет место несомненный прогресс в разработке технологий и машин для известкования, в улучшении качества распределения. При последующем внесении мелиорантов действует множество факторов. Причем если средняя доза определяется потребностью, то конкретные вносимые на площадки питания растений дозы определяются множеством описанных выше факторов, поэтому общая дисперсия доз внесения после каждого известкования равна:

,

где Dн - исходная дисперсия кислотности в пересчете на дозы химического мелиоранта, (т/га)2; Dв - дисперсия внесения доз (т/га) 2.

Преобразуем выражение (4):

, (5)

где Хн - начальная доза мелиоранта для изменения кислотности от максимальной до рН=4,5 т/га; Хв - вносимая при известковании доза мелиоранта, т/га.

Для максимального урожая на суглинках (Хиг=5,65 т/га) Хвг=3,92 т/га.

В выражении (5) Wн/100 и Wв/100 - коэффициент вариации распределения мелиоранта в относительных единицах исходного (начального) распределения вносимых доз; Хн/(Хн+Хв) и Хв/(Хн+Хв) соответственно удельные веса доз начальной и вносимой.

Для полной дозы внесения (Wв/100хХв/(Хн+Хв))е заменяется двумя одинаковыми для половинных доз:

(Wв/100хХв/2(Хн+Хв))2+(Wв/100хХв/2(Хн+Хв))2=1/2(Wв/100хХв/(Хн+Хв))2.

Очевидно, что внесение дважды половинной дозы рационально для больших неравномерностей внесения. Для суглинков при неравномерности 50 % прибавка урожая составит 1,2 ц/га, а на супесях 0,7 ц/га. При внесении с допускаемой в настоящее время неравномерностью 25 % эта прибавка составляет около 0,3 ц/га и будет поглощена снижением урожая в результате дополнительных проходов распределителей мелиорантов и машин для их заделки, особенно из-за уплотнения почвы и дополнительных энергозатрат.

Если неравномерность внесения даже близка к нулю, что нереально хотя бы с учетом неточности вождения и производительности при этом перекрытии проходов, то она для существующих технологий и средств механизации не будет менее 25 %. Поэтому для химмелиорантов последствие неравномерного внесения в прошлом не позволяет надеяться на существенное улучшение условий произрастания всех растений поля. Особенно это характерно для поддерживающего известкования, когда вносятся дозы в 2-3 раза меньше, чем условная доза, содержащаяся в почве.

Для имеющей место в нашем случае композиции нормальных законов распределения доз питательных элементов в почве и вносимых суммарное среднеквадратическое отклонение высчитывается по формуле:

,

где r - коэффициент корреляции находящихся в почве и вносимых доз питательных элементов.

Если они независимы, то

г=0 и , а при полной отрицательной корреляции г=-1 и

. (6)

Из (6) следует:

W2н+W2в>(Wн-Wв).

Заключение

Так как величина урожая больше при меньшей общей дисперсии доз, то, чем сильнее отрицательная корреляция начальных и внесенных доз, тем выше урожай, который будет максимальным при полном выравнивании суммарных доз по всему полю.

Таким образом, в настоящее время в области применения удобрений имеет место тупиковая ситуация, которую невозможно разрешить, используя традиционные технологии и системы машин. Единственный путь выравнивания плодородия почвы - компенсационное внесение питательных веществ в зависимости от фактического их наличия на каждом конкретном участке поля.

Для осуществления компенсационного дифференцированного внесения удобрений необходимо разработать исходные требования на эти процессы, создать экспресс-датчики наличия в почве элементов питания, бортовые микропроцессоры для переработки получаемой информации, а также для формирования управляющих сигналов и перенастройки дозирующих устройств машин-удобрителей в процессе их работы.

Только таким путем, выйдя на качественно новый уровень в механизации, можно реализовать потенциальные возможности всех видов удобрений. А это значит, обеспечить окупаемость I кг NPK 8_10 кг зерна или 10_12 кг кормовых единиц, повысить качество всей сельскохозяйственной продукции, снизить негативное воздействие средств химизации на среду обитания человека.

Литература

1. Государственная программа устойчивого развития села на 2011-2015 гг. - Горки, 2012. - 96 с.

2. Гусаков, В. Г. Ресурсы земли / В. Г. Гусаков, В. К. Павловский // Белорусская нива. - 22 июня 2010. - С. 2-3.

3. Кадыров, М. А. Растениеводство Беларуси: скилько мы теряем? / М. А. Кадыров // Наше сельское хозяйство. - 2011. - № 2. - С. 4-10.

4. Степук Л. Я. Технико-экономические аспекты дифференцированного внесения удобрений в системе точного земледелия / Л. Я. Степук, В. Р. Петровец, Н. И. Дудко, Т. Ф. Персикова // Вестник БГСХА. - 2012. - № 3. - С. 11-116.

5. Адамчук, В. В. Точное земледелие: существо и технические проблемы / В. В. Адамчук // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2003. - № 8. - С. 4-6.

6. Крупномасштабное агрохимическое и радиологическое обследование почв сельскохозяйственных угодий Беларуси: методические указания / Под. ред. И. М. Богдевича. - Минск, 2011. - С. 22-30.

7. Методика определения эффективности известкования в производственных условиях по итогам агрохимического картировании почв. - Минск: БелНИИПА, 1990. - 41 с.

8. Инструкция по известкованию кислых почв в хозяйствах БССР. РПНО «Белсельхозхимия». - Минск: БелНИИПА, 1990. С. 21-27.

9. Степук, Л. Я. технологии и машины для внесения минеральных удобрений: монография / Л. Я. Степук, Н. И. Дудко, В. Р. Петровец. - Горки: Белорусская государственная сельскохозяйственная академия, 2010. - 260 с.

10. Степук, Л. Я. Машины для применения средств химизации в земледелии: конструкция, расчет, регулировки: учеб. пособие / Л. Я. Степук, В. Н. Дашков, В. Р. Петровец. - Минск: Дикта, 2006. - 448 с.

Размещено на Allbest.ru