Главная Коллекция "Revolution" Сельское, лесное хозяйство и землепользование Агрохимический фактор устойчивости серой лесной почвы и сельскохозяйственных растений к неблагоприятным воздействиям среды в южной части нечерноземной зоны России

Агрохимический фактор устойчивости серой лесной почвы и сельскохозяйственных растений к неблагоприятным воздействиям среды в южной части нечерноземной зоны России

Определение устойчивости серой лесной почвы к неблагоприятным факторам. Изучение динамики параметров погодных условий весеннего периода. Влияние удобрений на показатели буферности и микробиологическую активность, характеризующие устойчивость почвы.

Рубрика Сельское, лесное хозяйство и землепользование
Вид автореферат
Язык русский
Дата добавления 29.01.2018
Размер файла 296,5 K
рефераты на заказ со скидкой

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук

Агрохимический фактор устойчивости серой лесной почвы и сельскохозяйственных растений к неблагоприятным воздействиям среды в южной части нечерноземной зоны России

Ушаков Роман Николаевич

Специальность 06.01.04 - «Агрохимия»

Саранск 2007

Работа выполнена на кафедре агрохимии и почвоведения Рязанской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора П.А. Костычева.

Научный консультант: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Костин Яков Владимирович.

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Новоселов Сергей Иванович;

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Чижикова Наталья Петровна;

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Иванов Евгений Сергеевич.

Ведущая организация: ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии им. Д.Н. Прянишникова.

Защита диссертации состоится «5» октября 2007 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.117.11 в Мордовском государственном университете им. Н.П. Огарева по адресу 430904, г. Саранск, п. Ялга, ул. Российская, 31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева.

Автореферат разослан: 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Г.М. Кононова.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Проблема получения относительно высоких и одновременно стабильных урожаев сельскохозяйственных культур неразрывно связана с вопросами устойчивости почв к неблагоприятным воздействиям. Об актуальности и необходимости проведения исследований в данном направлении свидетельствуют данные РАСХН, согласно которым устойчивость отечественной агросферы в 3,5 раза ниже, чем в развитых странах (Глобальные изменения…, 2004). Вопросам устойчивости почв посвящено ряд научных работ, рассматривающих проблему в эволюционном аспекте. Однако в науке недостаточно сведений о роли удобрений и других агротехнических приемов на формирование устойчивости почв и сельскохозяйственных растений. Исследования подобного плана практически не проводились на серых лесных почвах.

В центральном округе Российской Федерации более половины пахотных почв имеют кислую реакцию среды (например, в Рязанской области таких почв около 67%), причем их подкисление продолжается. В Рязанской области, как и в некоторых других областях Нечерноземной зоны, свыше 30% пахотных почв имеют низкую обеспеченность обменным калием, почвы характеризуются в основном средней обеспеченностью подвижным фосфором. При средних дозах минеральных (20-30 кг/га) и органических (0,5-1,0 т/га) удобрений пищевой режим продолжает ухудшаться. Следовательно, в целом почвенные условия неблагоприятны для формирования устойчивой урожайности сельскохозяйственных культур, так как усиливается зависимость продукционного процесса от погодных условий, в частности проявлений засухи. В верхних слоях почва подвержена аккумуляции тяжелыми металлами. Сокращение применения удобрений приводит к ухудшению питания сельскохозяйственных растений; неблагоприятное воздействие сказывается не только в снижении их продуктивности, но и в истощении почвенных ресурсов. В то же время удобрения оказывают сильное воздействие на все компоненты структурной организации почвенной системы, в том числе и на минералы почвы, являющиеся основным источником элементов питания. В связи с этим применяемые системы удобрения должны не только обеспечивать улучшение питания сельскохозяйственных культур, но и способствовать сохранению естественного плодородия, а в ряде случаев улучшать его. Устойчивое функционирование почвы, ее буферная способность предопределяют долгосрочное обеспечение растений элементами питания, препятствует их истощению. Все сказанное определяет актуальность темы исследования.

Цель и задачи исследований. Цель работы состоит в изучении, оценке и агроэкологическом научно-практическом обосновании устойчивости серых лесных почв к неблагоприятным воздействиям и повышения урожайности сельскохозяйственных культур в условиях южной части Нечерноземной зоны России. Достижение цели осуществлялось путем решения задач:

1. Изучить динамику основных параметров погодных условий весеннего периода.

2. Установить роль удобрений в формировании устойчивости продукционного процесса сельскохозяйственных культур в условиях проявления засухи.

3. Определить устойчивость серой лесной почвы к таким неблагоприятным факторам, как подкисление, загрязнение тяжелыми металлами (цинком, медью, кадмием и свинцом).

4. Оценить калийный и фосфатный режим серой лесной почвы и выявить эффект последействия минеральной, органоминеральной и органической систем удобрений.

5. Определить минералогический состав тонкодисперсных фракций (< 1 мкм, 1-5 мкм и 50-10 мкм) серой лесной почвы и его изменение при применении удобрений.

6. Сравнить агрохимические и физико-химические свойства серой лесной почвы под пашней, лугом и лесом и обосновать роль экосистемных мероприятий в формировании устойчивости к подкислению, загрязнению тяжелыми металлами.

7. Установить оптимальный физико-химический блок модели плодородия серой лесной почвы, характеризующий устойчивость почвы.

8. Провести энергетическую и агроэкологическую оценку применения удобрений.

Научная новизна. На базе многолетних стационарных опытов с минеральными удобрениями и комплексным окультуриванием серой лесной почвы, сравнительного анализа почв под разными угодьями изучены компоненты устойчивости почвы, сельскохозяйственных растений к неблагоприятным факторам - засухе, загрязнению, подкислению, потере калия и фосфора. Приведено практическое и теоретическое обоснование устойчивости почвы, параметризированной физико-химической буферностью к калию, фосфору, цинку, меди, кадмию и свинцу и подкислению.

Для улучшения фосфатного режима серой лесной тяжелосуглинистой почвы установлены дозы фосфорных и калийных удобрений с учетом адсорбционных явлений в зависимости от степени обеспеченности подвижным фосфором, обменным калием, содержания равновесного фосфора и легкоподвижного калия.

Впервые проведен дробный минералогический анализ функционирующих фракций (ила, тонкой и средней пыли) в серой лесной почве опытных полей с разными системами удобрений. Установлено стабилизирующее значение плодородия серой лесной почвы для почвенных микроорганизмов. Показана роль азотных, фосфорных, калийных и органических удобрений для устойчивого продукционного процесса сельскохозяйственных культур в засушливых условиях.

Разработана модель физико-химического блока плодородия серой лесной тяжелосуглинистой почвы для оценки ее устойчивости к подкислению, загрязнению, потере калия и фосфора.

Практическая значимость работы. В дополнение к имеющимся показателям плодородия предложены физико-химические критерии устойчивости серой лесной почвы, для агрохимической оценки используемых систем удобрений.

В условиях серой лесной тяжелосуглинистой почвы предложены дозы фосфорных и калийных удобрений для улучшения фосфатного и калийного режимов.

В системе комплексного мониторинга почвенного покрова для предупреждения деградационных процессов рекомендовано определять качественный состав гумуса, валовой химический и минералогический составы почвы.

Обоснована необходимость создания в некоторых случаях в системе агроландшафта луговых и лесных экосистем.

Защищаемые положения:

1. Характер изменения гидротермических условий и оценка устойчивости продукционного процесса сельскохозяйственных растений.

2. Влияние минеральных и органических удобрений, применяемых в отдельности и совместно, на показатели буферности и микробиологическую активность, характеризующие устойчивость почвы.

3. Дозы фосфорных и калийных удобрений с учетом адсорбции фосфора и калия.

4. Физико-химический блок модели плодородия, характеризующий устойчивость серой лесной тяжелосуглинистой почвы.

5. Химико-минералогический мониторинг состояния почвы под влиянием антропогенного воздействия для раннего выявления и предупреждения ее деградации.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Рязанской государственной сельскохозяйственной академии им. профессора П.А. Костычева с 1997 по 2005 годы, на научных конференциях Нижегородской СХА (2001 г.), Рязанского ГПУ в 2001 г., III (2000 г.) и IV (2004 г.) съездах почвоведов, НИИСХ ЦРНЗ (2006 г. ), Санкт-Петербургского ГУ (2007 г.).

Публикации. Опубликовано 52 работы, в том числе 25 статей в изданиях по списку ВАК, две монографии.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов и рекомендаций производству. Работа изложена на 277 страницах печатного текста, содержит 87 таблицы, 89 рисунков, 59 приложений. Список литературных источников включает 338 наименований, из них 42 - зарубежных авторов.

Содержание работы

1. Условия и методика проведения длительных полевых опытов, модельных и лабораторных исследований.

Почвенно-климатические условия. Серые лесные почвы в основном распространены в южной части Нечерноземной зоны на площади 2,8 млн. га. Средняя годовая сумма осадков составляет 510 мм. Сумма температур выше 10 °С равна 2200 °С.

Методы исследований. Объектом исследования служат пахотные серые лесные тяжелосуглинистые почвы Рязанской области. В 1970 г. профессор Л.В. Ильина заложила полевой многолетний (стационарный) опыт по комплексному окультуриванию серой лесной почвы (опыт 1) с внедрением систем удобрений, обработки почвы, севооборотов. За 30 лет Л.В. Ильиной и ее учениками, к которым относится и автор, были собраны и систематизированы сведения по плодородию почвы и урожайности сельскохозяйственных культур. Опыт закладывался на базе двух севооборотов, развернутых во времени в течение шести ротаций: I-й полевой зернопропашной севооборот включал в порядке последовательного чередования викоовсяную смесь (на сено), озимую пшеницу, картофель, ячмень и овес; во II-й полевой зернотравянопропашной севооборот входили те же культуры, за исключением замены однолетних трав клевером. Высевали районированные сорта. Варианты обработки почвы заложены на трех фонах: 1) без удобрений (контроль); 2) средние и 3) высокие дозы органических и минеральных удобрений (табл. 1).

Опыт заложен методом расщепленных делянок, варианты обработки почвы в повторениях - методом рендомизации. Повторность - 4-х кратная. Размер делянки третьего порядка - 465 м2, учетной делянки - 100-250 м2. В ходе исследования при рассмотрении вопросов, связанных с засушливыми условиями вегетации, были рассчитаны коэффициенты устойчивости продукционного процесса у ячменя, викоовсяной смеси и клевера в 12 вариантах, в которые вошли два севооборота (фактор А), три системы удобрений (фактор В) и две системы обработки (фактор С) - одноглубинная на 20 см (Ог-20) и с углублением пахотного слоя до 28-30 см (Рг-30). При изучении проблемы подкисления и загрязнения почвы, истощения фосфором и калием для проведения сравнительного анализа, использующего необходимую вариацию почвенных условий и отклик на них буферных свойств, были взяты контрольный вариант (без удобрений с традиционной основной системой обработкой почвы на 20 см в зернопропашном севообороте), и вариант с дозами минеральных и органических удобрений, рассчитанными на рекомендуемый уровень плодородия, при разноглубинной обработке в зернотравянопропашном севообороте.

Таблица 1 - Система удобрений (фактор В) в севооборотах (фактор А)

Зернопропашной

Зернотравянопропашной

Культура

Урожайность т/га

Доза удобрений

Культура

Урожайность т/га

Доза удобрений

Картофель

14-16

Навоз 20 т/га

Картофель

14-16

Навоз 20 т/га

N60P40K40

N60P40K40

29-31

Навоз 40 т

29-31

Навоз 40 т/га

N140P110K110

N140P110K110

Ячмень

2,4-2,6

N80P40K30

Ячмень

2,4-26

N80P40K30

3,6-4,0

N90P100K80

3,6-4,0

N90P100K80

Овес

2,4-2,6

N60P60K50

Овес+

клевер

2,4-2,6

N60P60K50

3,6-4,0

N90P80K80

3,6-4,0

N90P80K80

Вика+овес (сено)

3,0-3,5

N30P60K40

Клевер

3,0-3,5

N30P60K40

7,0-7,5

N30P110K70

7,0-7,5

N30P110K70

Оз. пшеница

2,4-2,6

N60P40K40

Оз. пшеница

2,4-2,6

N60P40K40

3,6-4,0

N120P80K80

3,6-4,0

N120P80K80

С 2001 г. в опыте возделывается люцерна посевная на кормовые цели без применения удобрений. Это дало основание изучить последействие агротехнических приемов на калийную и фосфатную буферность для рассмотрения вопросов устойчивости почвы к возможному истощению.

По инициативе профессора Е.А. Жорикова в 1962 г. был заложен многолетний опыт по изучению эффективности разных форм азотных удобрений на серой лесной почве, включающий следующие варианты (опыт 2): без удобрений, фосфорно-калийный фон (фон РК), включающий суперфосфат простой и хлористый калий. На данном фоне изучали формы азотных удобрений: аммиачную (Naa), кальциевую (Nскц) и натриевую селитру (Nc), аммоний сернокислый (Na) и хлористый (Nx), аммиачную воду (Nав) и мочевину (Nм) в севообороте викоовсяная смесь (на сено), озимая пшеница, картофель, ячмень (яровая пшеница). Дозы удобрений показаны в табл. 2. Опыт заложен в 4-х кратной повторности. Размер делянок 210 м2.

Начиная с 1967 г. проводится испытание различных форм фосфорных удобрений (опыт 3) с целью выявления их влияния на продуктивность сельскохозяйственных культур. На азотно-калийном фоне (фон NK), где использовались аммиачная селитра и хлористый калий, вносили диаммофос (Рдиам), простой (Рс) и двойной суперфосфат (Рсд), обесфторенный фосфат (Роф) и фосфоритную муку (Рф). Дозы удобрений показаны в табл. 2. Опыт заложен в 4-х кратной повторности. Размер делянок 156,8 м2.

Многолетний опыт по изучению влияния разных форм калийных удобрений (опыт 4) на продуктивность сельскохозяйственных культур в условиях серых лесных тяжелосуглинистых почв был заложен в 1967 г. Н.И. Красеньковой. В качестве контрольного варианта в исследованиях был выбран азотно-фосфорный фон (фон NP), включающий сернокислый аммоний и простой суперфосфат; опытного - NP+40%-ная калийная соль (Ккс); абсолютного контроля - вариант без удобрений. Опыт заложен в 3-х кратной повторности. Размер делянок 210 м2. Многолетние полевые опыты заложены по методике ВИУА. В опытах 2, 3 и 4 удобрения вносили поделяночно вручную, под основную обработку - фосфорные и калийные, под предпосевную - азотные.

Таблица 2 - Дозы удобрений (кг/га) в опытах 2, 3, 4

Вариант

Яровая пшеница,

ячмень

Картофель

Вика + овес

Озимая

пшеница

N

Р2О5

К2О

N

Р2О5

К2О

N

Р2О5

К2О

N

Р2О5

К2О

1

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

2

-

60

60

-

100

100

-

60

60

-

-

-

3

60

60

60

100

100

100

30

60

60

-

-

-

4

60

-

60

80

-

40

30

-

60

60

-

60

5

60

60

60

80

40

40

30

60

60

60

60

60

6

60

60

-

60

60

-

30

60

-

60

60

-

7

60

60

60

60

60

60

30

60

60

60

60

60

Примечание: 1 - вариант без удобрений; 2 - фон РК (суперфосфат простой+хлористый калий); 3 - фон РК+N (разные формы азотных удобрений); 4 - фон NК (аммиачная селитра+40% калийная соль); 5 - фон NК+Р (разные формы фосфорных удобрений); 6 - фон NР (аммиачная селитра+суперфосфат простой); 7 - фон NР (разные формы калийных удобрений).

Для исследования влияния почвенной засухи на продуктивность некоторых культурных растений - однолетних и многолетних трав, картофеля, яровых зерновых культур (ячменя, яровой пшеницы), проведения расчетов коэффициентов устойчивости были диагностированы все отмеченные выше варианты. В исследованиях буферности к подкислению кроме контроля вариантами были: на фосфорно-калийном фоне - хлористый аммоний (фон РК+Nx); кальциевая селитра (фон РК+Nскц), на азотно-калийном фоне - суперфосфат двойной (фон NK+Рсд). В исследованиях буферности к загрязнению выбрали комплекс минеральных удобрений, включающий аммиачную селитру, калийную соль и суперфосфат двойной. Данные удобрения использованы в опытах по определению фосфатной и калийной буферности, минералогических и других показателей. Для решения поставленных задач в ходе диссертационного исследования были определены показатели, представленные в табл. 3 в виде плюсов. Агрохимические свойства почвы опытных делянок показаны в табл. 4 и 5.

Таблица 3 - Использование многолетних полевых опытов автором

Показатель

Опыт 1

Опыт 2

Опыт3

Опыт 4

Опыт 5

Система удобрения

органо-минера-льная

минеральная

органическая

Общие агрохимические свойства

+

+

+

+

+

Оценка устойчивости продукционного процесса к засухе

+

+

+

+

+

Физико-химическая буферность к подкислению

+

+

+

-

+

Физико-химическая буферность к загрязнению

+

+

+

-

+

Калийная буферность

Формы калия

-

+

-

+

+

Фосфатная буферность

Формы фосфора

+

+

+

-

+

Валовой химический состав

+

+

-

-

+

Минералогический состав

+

+

-

-

+

Групповой и фракционный

состав гумуса

+

+

-

-

+

В полевых опытах с разными формами минеральных удобрений практикуется минеральная система удобрений, в опыте с комплексным окультуриванием - органоминеральная. Для изучения органической системы удобрения мы включили в сравнительный анализ высокоплодородный вариант серой лесной почвы, характеризирующий потенциальные экологические, продукционные и иные возможности плодородия аналоговой почвы. Для этого был заложен полевой опыт по интенсивному окультуриванию серой лесной почвы. Схема опыта включала два варианта: без удобрений, отражающий, судя по агрохимическим сведениям табл. 4 (опыт 5), неплодородную почву (неокультуренную почву) и с навозом - плодородную почву (окультуренную). Для этого за период 2000-2004 гг. в серую лесную почву ежегодно вносили под картофель подстилочный навоз КРС из расчета 40 т/га. Контрольный вариант представляла почва, в которую за последние 10 лет не вносились удобрения. Опыт заложен в 3-х кратной повторности методом рендомизации. Размер делянок 300 м2.

Таблица 4 - Агрохимическая характеристика серой лесной почвы в опытах (0-20 см)

Вариант

Гумус,%

P2O5,

K2O,

рНсол

Нг

Са2++Mg2+

мг/100 г

мг-экв/100 г

Система удобрения

Без удобрений

(контроль 1)

С-II+в.н.у.+Ог-20

органоминеральная

2,1±0,2

12,3±0,9

14,4±0,9

5,7±0,1

2,6±0,1

24,1±0,3

3,0±0,2

32,0±0,4

24,1±0,4

5,9±0,2

1,9±0,01

26,0±0,4

Без удобрений

(контроль 2)

минеральная

2,2±0,3

7,3±0,4

8,6±0,4

5,5±0,2

3,0±0,1

22,6±0,4

Фон NK+Pсд

2,3±0,2

25,7±0,4

23,0±0,5

5,0±0,2

4,6±0,1

18,9±0,5

Фон PK+Nх

2,3±0,1

26,1±0,3

23,3±0,5

4,4±0,2

6,1±0,0

14,5±0,5

Фон PK+Nскц

2,3±0,2

26,5±0,4

22,0±0,1

5,0±0,3

4,5±0,1

20,0±0,5

Фон NP+Ккс

2,3±0,2

24,7±0,3

24,1±0,4

5,4±0,4

3,5±0,1

22,0±0,6

органическая

Без удобрений

(контроль 3) - НП

2,0±0,3

11,0±2,2

7,0±1,0

5,5±0,1

3,1±0,1

23,0±0,7

Навоз 40 т/га - ПП

5,4±0,7

46,6±1,0

40,7±2,3

6,0±0,3

1,3±0,1

46,3±0,6

Примечание: НП - неплодородная почва; ПП - плодородная почва

Таблица 5 - Углерод фракций гумуса, % к общему углероду почвы

Вариант, система удобрений

Слой, см

Углерод ГК (Сгк)

Углерод ФК (Сфк)

Сгк+ Сфк

Сгк

Сфк

1

2

3

сумма

1а

1

2

3

сумма

Без удобрений (контроль 1, 2)

0-20

3,2

32,1

8,4

43,7

3,3

4,8

7,8

4,3

20,2

63,9

2,2

20-30

2,7

32,3

9,9

44,9

2,9

5,4

6,7

6,8

21,8

66,7

2,0

Органо-минеральная

0-20

6,1

28,9

12,5

47,5

2,6

5,1

4,1

8,0

19,7

67,3

2,4

20-30

6,3

20,2

11,7

48,3

2,4

5,3

5,9

6,8

20,5

68,8

2,4

Минеральная

0-20

14,0

24,3

8,6

46,9

3,0

10,8

3,4

4,7

21,9

68,9

2,1

20-30

11,5

28,1

7,9

47,5

3,1

10,1

3,5

5,0

21,8

69,3

2,2

Без удобрений (контроль 3)

0-20

11,4

21,4

9,9

42,7

2,7

7,5

2,4

4,5

17,1

59,8

2,5

20-30

10,0

31,7

9,0

50,7

2,8

8,4

1,1

4,3

16,5

67,3

3,1

Органическая

0-20

11,0

12,4

17,0

40,4

2,0

6,6

2,5

4,7

15,8

56,2

2,6

20-30

13,0

15,2

13,0

41,3

2,2

6,9

2,1

5,6

16,8

58,1

2,5

НСР05

0-20

1,0

1,1

0,8

-

1,03

1,29

0,8

1,2

-

-

-

20-30

0,6

1,1

1,3

-

0,34

1,31

0,9

1,2

-

-

-

При рассмотрении отдельных вопросов, кроме многолетних полевых опытов, использованы почвенные образцы, отобранные на пашне, под широколиственным лесом и разнотравным лугом, возраст которых более 50 лет. Отмеченные экосистемы составляют единый ландшафт, так как для них характерны сходные геоморфологические, гидрологические, литологические условия.

Схема и методика микробиологических исследований в модельных опытах. Работа включала изучение влияния плодородия почвы на активность основных групп почвенных микроорганизмов в неблагоприятных экологических условиях: почвенной засухе (опыты 6 и 7), загрязнении тяжелыми металлами (Zn, Cu, Cd) - серия опытов 8. Схема опытов включала два контрастных варианта, различающихся по уровню плодородия, которые названы условно плодородная и неплодородная. Данные варианты представлены территориальными участками одной геохимической фации: рельеф ровный, почва серая лесная тяжелосуглинистая, растительность - культурная. Различия в плодородии почвы обусловлены применением органических удобрений. Неокультуренный вариант почвы отражает общее состояние пахотного земледелия. В такой серой лесной почве содержание гумуса составляет около 2,0%, содержание элементов питания среднее. Систематическое применение навоза увеличило гумус до 5,4%, подвижного фосфора - до 47 и обменного калия - до 41 мг/100 г (табл. 4). Отмеченные свойства окультуренной почвы могут отражать максимально-возможный (предельный) для данного типа почвы продукционный, агроэкологический потенциал устойчивости.

Опыт 6 по моделированию засухи. Отбор почвенных образцов на микробиологические исследования осуществлялся с двух вариантов опыта 5. Почвенные образцы использованы в модельном опыте (заложены методом рендомизации) для изучения микробиологической устойчивости. Для этого почвенные образцы просеивали через сито 2 мм и подсушивали в течение 3 дней (естественная сушка) до влажности завядания (ВЗ) 6-7% от сухой почвы. После того как почву засыпали в сосуды, произвели полив водой до влажности, соответствующей 30% от сухой почвы. На вариантах с неплодородной и плодородной почвой, где по схеме опыта количество воды должно было быть критическим (стрессовым) для жизнедеятельности микроорганизмов (засушливые условия), влажность почвы снижали до 14% от сухой почвы (естественное испарение) и поддерживали в течение 10 дней. В вариантах с постоянным оптимальным условием увлажнения неплодородной и плодородной почвы содержание воды колебалось на протяжении всего времени экспозиции (30 дней) в пределах 25-30% от сухой почвы. Изучали протеолитическую и целлюлозолитическую активность, а также активность азотобактера, количество основных групп микроорганизмов. Использовали прямое микроскопирование.

Для оценки микробиологической устойчивости мы предлагаем использовать условный коэффициент микробиологического сопротивления (КМС), рассчитываемый по следующей формуле:

КМС = Nнф/(Nбф-Nнф), (1)

где Nнф - численность микроорганизмов в неблагоприятных условиях;

Nбф - численность микроорганизмов в благоприятных условиях.

Если коэффициент меньше единицы, микробиологическая жизнедеятельность обладает повышенной сенсорной восприимчивостью к действию неблагоприятного фактора; больше единицы __ микробиологическая активность относительно устойчивая.

Серия опыта 7 по изучению трансформации азота. По образованию аммонийной и нитратной форм азота можно косвенно судить об активности соответствующих групп микроорганизмов. Для этого были поставлены три лабораторных опыта (экспозиция 7 дней) с мочевиной (опыты 7.I и 7.II) и растительной биомассой клевера (опыт 7.III с почвой влажностью 25-27% от сухой почвы). Для этого в серую лесную почву вносили мочевину из расчета 0,5 и 1,0 г на 100 г почвы. Количество биомассы клевера (листья) было 1 г на 50 г почвы. Исследования проводили в Институте садоводства (г. Москва).

Серия опыта 8 с моделированием загрязнения и подкисления. В опытах использован тот же подход в схеме выбора почвенных образцов, их подготовке к анализу, что и в предыдущем опыте 6. Загрязнение почвы моделировали путем внесения в нее в растворенной форме CuSO4•5H2O в количестве, при котором доза меди составляла 300 (опыт 8.I с одним уровнем загрязнения), 200, 600 и 900 мг/кг (опыт 8.II). Контроль - без загрязнения с фоновой концентрацией элемента (ацетатно-аммонийная вытяжка). Влажность почвы поддерживали на уровне 30% от сухой почвы. Время экспозиции - 30 суток.

В опыте 8.III загрязнение почвы производили кадмием из расчета 10, 30 и 100 ПДК. Экспозиция составляла 1, 10, 35 и 57 суток.

В опыте 8.IV изучали влияние цинка на активность азотобактера в неплодородной и плодородной почве (опыт 5). Доза цинка составила 50 и 100 мг/кг.

Подкисление почвы имитировали добавлением разбавленной серной кислотой из расчета создания кислотной нагрузки 0,03 мМ/л (опыт 8.V) и 0,018, 0,044 и 0,120 мМ/л (опыт 8.VI).

В данную серию опытов были включены исследования микробиологической диагностики устойчивости серой лесной почвы разных экосистем - агро-, лесо- и лугового сообществ. Кислотная нагрузка составила 2,5•10-5 М/л (опыт 8.VII), доза меди соответствовала 30 и 50 ПДК (опыт 8.VIII).

В опытах 8.I, 8.II-8.VIII определяли численность основных групп микроорганизмов, в опыте 8.III - субстрат-индуцированное дыхание, микробную биомассу, базальное дыхание.

Анализы почв и растений выполнены в соответствии с существующими стандартами (ГОСТ 26490-85; ГОСТ 26488-85; ГОСТ 26204-91; ГОСТ 17.4.02-83). Калийную и фосфатную буферность определяли по Beckett (1964). Максимальную фосфатную буферную способность (МВС), буферную способность при заданной равновесной концентрации фосфора (2 мг/л) в растворе (ВС) - по Keramidas и др. (1983) на изотермах Q/Y и Ленгмюра.

Устойчивость почвы к загрязнению оценивали по параметрам ионообменной адсорбции тяжелых металлов - максимальной адсорбции и буферной способности в области низких исходных концентраций катионом тяжелых металлов (цинк) - от 0 до 0,31 мМ/л при соотношении почва: раствор, равном 1:20 (Соколова и др., 1991; Водяницкий и др., 2000), и в области высоких концентраций - от 0 до 50 мМ/л при соотношении почва: раствор, равном 1:10 (Ладонин, 1997). Находили точки пересечения касательной, проведенной при равновесной концентрации катионов тяжелых металлов 5, 10 и 20 мМ/л. В этом случае буферная способность определяется как тангенс угла наклона (тангенсная буферность, Beckett, 1971).

Потенциальную буферную способность (ПБС) к катионам ТМ рассчитывали по формуле:

ПБС = Qmax•К/(1+Сравн.•К)•(1+Сo.•К); (2)

где Qmax - максимальная адсорбция катиона ТМ (мМ/кг); Сo. - концентрация ТМ (мМ/л) при нулевой исходной концентрации; Сравн. - равновесная концентрация (мМ/л), К - константа.

Для определения буферности к подкислению использовался метод непрерывного потенциометрического титрования (НПТ) (Соколова, 2001).

Выделение фракций ила, тонкой и средней пыли для определения минералогического состава проводилось по методике Н.И. Горбунова (1971). Ориентированные препараты фракций исследованы рентгендифрактометрическим методом. Рентгендифрактометры получены для воздушно-сухих образцов, насыщенных этиленгликолем и прокаленных при температуре 5500С в течение 2 часов.

Микробиологические исследования проводили общепризнанными методами (Звягинцев, 1987, 1991) в Институте биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина (г. Пущино). В качестве основного приема предварительной обработки образцов почв для анализа численности бактерий использовали ультразвуковое диспергирование (22 кГц, 0,44 А, 2 мин) на низкочастотном диспергаторе УЗДН-1.

Субстрат-индуцированное дыхание (СИД), микробную биомассу (Смик) определяли методом, предложенным в работах Дж Андерсона и К. Домша (Anderson, Domsch, 1978). Микробный метаболический коэффициент (qCO2), рассчитывали как отношение скорости базального дыхания (БД) к микробной биомассе (Смик):

БД/Смик = qСО2(мкг СО2-С•мг-1Смик•час-1) (3)

Учет урожайности в полевых опытах проводился сплошным методом. Урожай зерна приводили к 14%-ной влажности. Зеленую массу вики с овсом и клевера пересчитывали на сено с использованием метода пробных снопов.

Затраты энергии на производство минеральных удобрений определяли с помощью коэффициентов, приведенных в работе А.С. Миндрина (1997).

Затраты энергии на внесение минеральных удобрений, уборку и доработку дополнительного урожая учитывали по методике Г.А. Булаткина (1983). Коэффициент энергетической эффективности (Кээ) удобрений определяли как отношение энергосодержания сельскохозяйственной продукции к энергозатратам, связанным с применением удобрений.

В работе использованы производственные данные Рязанского Областного управления статистики по урожайности основных сельскохозяйственных культур, доз вносимых удобрений, обеспеченности пахотных почв элементами питания за разные интервалы времени.

Для статистической обработки экспериментальных данных методами дисперсионного, корреляционного, регрессионного и других видов статистического анализа использованы программные комплексы «STATISTICA» и «MATHСAD».

Расчет эколого-экономической устойчивости продукционного процесса. Устойчивость продукционного процесса предлагаем оценивать коэффициентами, численно определяемыми в условных единицах. Коэффициент устойчивости можно рассчитать следующим образом:

Ку = Ун.г/У, (4)

где Ку - коэффициент устойчивости; Ун.г. - урожайность в неблагоприятный год;

У = Уб.г.- Ун.г. - разница в урожайности в благоприятный год (Уб.г.) и неблагоприятный (Ун.г.).

Чем больше значение Ку, тем выше устойчивость. В устойчивости продукционного процесса должны присутствовать экономическая и экологическая оценки, отражающие минимальный эколого-экономический уровень стабильности. Для этого мы ввели понятие «коэффициент эколого-экономической устойчивости» (Кээу), который можно рассчитывать по следующим формулам:

Кээу(1) = (Угтк0,5-0,7 -Уэц)/(Уэц-Угтк <0,5); (5)

Кээу(2) = (Угтк0,5-0,7 -Уэц)/(Угтк >1,0-Уэц); (6)

где Кээу - коэффициент эколого-экономической устойчивости;

Уэц - нижний порог экономически целесообразной урожайности;

Угтк0,5-0,7, Угтк >1,0, Угтк <0,5 - соответственно урожайность в засушливый, оптимальный и сухой годы. Подставив значения урожайности, полученные в варианте без удобрения, в уравнения зависимости продуктивности от ГТК, выведенные для удобренного фона, мы калькулировали теоретическую урожайность, названную как “урожайность трансформированная” (УТР).

где УТР - трансформированная урожайность в экспериментальных вариантах; ТУ(Ki) - теоретическая урожайность на контроле, полученные в варианте без удобрений и вариантах с удобрениями при некотором значении ГТК (i); C(Ei) и C(Ki) - свободные члены в уравнениях зависимости продуктивности зерна от ГТК на экспериментальных (фон РК, фон РК + Nаа) и контрольном вариантах; Вo (Еi) и Вo(Ki) - коэффициенты в уравнении для экспериментальных и контрольного вариантов. Если ТУ(Кi) < C(Ei), то УТР = C(Ei). На основании уравнения 7 рассчитали трансформированный коэффициент устойчивости (ТКУ):

ТКУ = (У(Еi)-ТУ(Ki))/(УТР(Е0,5)-УТР(Еi<0,5)), (8)

где ТКУ - трансформированный коэффициент устойчивости; У(Еi) - фактическая и (или) урожайность, определенная по уравнениям регрессии, при некотором значении ГТК. Разница УТР в числителе формулы 8 отражает величину отклика на возмущающий фактор - почвенную засуху, задаваемый величиной разницы У(Еi)-ТУ(Ki). Наибольшим крайним значением ГТК может быть единица (в нашем случае 0,5).

Результаты исследований.

2. Оценка засушливых условий и устойчивости продукционного процесса.

Наибольшая вероятность негативного проявления почвенной засухи наблюдается в весеннее время, т.е. в начальные периоды развития яровых культур. В этот период в регионе осадков в среднем выпадает около 43 мм. Однако изменения в погодной обстановке, произошедшие за последние 20 лет, свидетельствуют о необходимости пересмотра среднемноголетнего значения в сторону его уменьшения: в 7 случаях из 21 количество осадков составило меньше 20 мм (33,0%), среднее значение __ 34 мм, в то время как за длительный период 1942-1981 гг. это было в 3 случаях из 40 (7,5%). За 1942-1981 гг. количество лет с осадками меньше 43 мм (среднестатистическое значение) составило 21, за 1982-2002 гг. - 16. На усиление засушливости климата в последнее время указывает экспоненциальное выравнивание майских осадков: за 60-ти летний период уравнение тренда имеет вид: Y = 52,0-0,3X.

Микробиологическая диагностика. Микробиологическая активность в неблагоприятных условиях воздействий является показателем устойчивости почвы. Для изучения влияния дефицита воды на микробиологическую активность был заложен опыт 6 (использованы почвенные образцы опыта 5). Наиболее контрастные различия в численности микроорганизмов между вариантами окультуренности почвы отмечены по аммонифицирующим и нитрифицирующим бактериям: в оптимальные условия увлажнения разница между вариантами составила соответственно 7,2 (НСР05 = 4,1) и 11,4•106 КОЕ/г (НСР05 = 1,9); несколько меньше по бактериям, ассимилирующим азот минеральных солей, и целлюлозоразлагающим бактериям. В присутствии почвенной засухи различия в численности микроорганизмов увеличилась (табл. 6).

Микробиологическую устойчивость оценивали по формуле 1. При недо-статке воды в окультуренной почве значение КМС для аммонификаторов, бактерий, ассимилирующих азот минеральных солей, и целлюлозоразлагающих бактерий составило соответственно 1,7, 3,8 и 11,6 условных единиц, в то время как в неокультуренной почве значение коэффициента было 1 (аммонификаторы) и меньше 1 (остальные группы). Это указывает на функцию плодородия почвы в поддержании устойчивости жизнедеятельности почвенных микроорганизмов.

Таблица 6 - Влияние засухи и плодородия на численность микроорганизмов (106 КОЕ/г)

Почва

Грибы

Бактерии

актиномицеты

аммонифицирующие

ассимилирующие азот минеральных солей

нитрифицирующие

целлюлозоразлагающие

Оптимальные условия увлажнения (контроль)

Неокультуренная

0,2

9,5

3,7

5,2

3,9

2,6

Окультуренная

0,8

16,7

1,2

16,6

4,3

50,1

Засушливые условия

Неокультуренная

0,2/+

4,7/1,0

0,4/0,1

1,6/0,5

1,6/0,7

7,8/+

Окультуренная

1,7/+

10,6/1,7

0,9/3,8

16,8/+

3,9/11,6

39,7/3,8

НСР05

0,3

4,1

0,4

1,9

0,5

6,6

Примечание: в числителе численность микроорганизмов, в знаменателе - значение КМС; знак + означает невосприимчивость к стрессу.

Предложенные формулы расчетов (4-8) позволяют оценить устойчивость продукционного процесса сельскохозяйственных культур в засуху. Рассмотрим некоторые примеры. Основываясь на урожайных данных яровых зерновых культур (рис. 1), с помощью выведенных уравнений мы рассчитали теоретически возможные урожайности при разных гидротермических условиях.

Исходя из уравнения регрессии

Y = 0,85+2,1X

в нормальные по увлажнению годы при внесении под яровую пшеницу 60 кг/га азота на серой лесной почве со средним содержанием фосфора урожайность составляет 4,0 т/га; в острозасушливые - 1,9 т/га; в засушливые годы - около 2,5 т/га. В опыте 2 с азотными удобрениями установлено, что при внесении под яровые зерновые культуры одних только калийных и фосфорных удобрений в засушливые годы наиболее ожидаемая урожайность зерна 2,2 т/га (Y = 12,1+20,5X); при внесении их вместе с азотным удобрением - 3,0 т/га (Y = 12,5+35,9X).

Рисунок 1 - Динамика урожайности яровых зерновых культур и ГТК

За счет оптимизации питания возможно достижение целесообразного уровня продукционного процесса у яровых зерновых культур и картофеля. Наивысшие значения Кээу (1) при возделывании в засушливых условиях яровой пшеницы, ячменя - 2,2 (при ГТК 0,5) и 2,7 (ГТК 0,7) и картофеля (Уэц не менее 1,50 т/га) - 1,03 (ГТК 0,5) и 2,00 (ГТК 0,7) получены при совместном внесении на фонах NP и NK 40% калийной соли и суперфосфата двойного соответственно.

По уравнениям регрессии, полученным в опыте с разными формами азотных удобрений, рассчитаны значения теоретической (ТУ) и трансформированной урожайности зерновых культур (УТР) и трансформированный коэффициент устойчивости (ТКУ) в диапазоне ГТК от 0,05 до 0,5. При внесении оптимальных доз удобрений (РК+N) более высокая ТУ зерна достигалась при более низких значениях трансформированной ГТК (табл. 7).

Таблица 7 - Расчет ТУ, УТР и ТКУ в опыте 2

ГТК

ТУ, т/га

УТР, т/га

ТКУ

Без удобрений

Фон РК

РК+N

Фон РК

РК+N

РК

РК+N

0,05

1,11

1,31

1,42

1,01

1,01

0,3

0,8

0,10

1,20

1,42

1,61

1,01

1,01

0,3

1,1

0,15

1,30

1,52

1,79

1,09

1,04

0,3

1,4

0,20

1,39

1,62

1,97

1,18

1,08

0,4

1,9

0,25

1,49

1,72

2,15

1,27

1,14

0,5

2,6

0,30

1,58

1,83

2,33

1,35

1,19

0,7

3,7

0,35

1,68

1,93

2,51

1,45

124

0,9

5,5

0,40

1,77

2,03

2,69

1,53

1,29

1,4

9,2

0,45

1,89

2,13

2,87

1,64

1,34

3,0

19,6

0,50

1,97

2,24

3,05

1,72

1,39

-

-

В засушливом диапазоне значений ГТК значение урожайности зерна в меньшей степени варьирует от применения азотного удобрения совместно с фосфорными и калийными, поэтому продукционный процесс становится устойчивее в сравнении с фоном, что видно по расчетным величинам коэффициента устойчивости: в среднем в варианте РК фон ТКУ составил 0,9 ед.; в варианте РК+N - 5,1 ед.

3. Устойчивость почвы к подкислению.

В основу изучения данного вопроса положены полевые опыты 1, 2, 3, 5 и серия модельных опытов. Мерами устойчивости почвы к подкислению и загрязнению являются значения соответствующих классических показателей буферности, в частности емкость буферности. Длительное (40 лет) применение хлористого аммония существенно повысило кислотность серой лесной почвы (рНсол 4,4) . Это привело к снижению в пахотном слое общей буферности до минимальных по сравнению с другими вариантами опытов значений - 4,2 мМ-экв/100 г, что на 3,4 мМ-экв/100 г меньше контроля (рис. 2).

В отличие от варианта PK+Nx (опыт 2) в варианте NK+Pcд (опыт 3) доза физиологически кислого азотного удобрения под картофель была меньше на 20 кг/га, поэтому рН составила 5,0, а емкость буферности соответствовала контролю - 7,4 мМ-экв/100 г. Из всех буферных зон, ответственных за нейтрализацию ионов водорода, наибольший практический интерес представляют карбонатная и катионно-обменная, так как можно улучшить механизмы их реализации технологически - путем пополнения ППК кальцием и повышения в почве органического вещества. Так, одна только замена хлористого аммония на кальциевую селитру повысило емкость буферности в два раза (с 4,2 до 8,9 мМ-экв/100 г.). Тогда как в почве под лугом емкость буферности составила 8,7 мМ-экв/100 г. Совместное применение минеральных и органических удобрений (органоминеральная система удобрения), при котором содержание гумуса повышается до 3%, а кислотность становится близкой к нейтральной, повышает устойчивость почвы к подкислению: емкость буферности возросла до 10,8 мМ-экв/100 г. Однако и это не предел. Стратегия земледелия, ориентированная на активизацию гумусообразования, означает наращивание потенциала устойчивости - максимальная величина емкости буферности составила 18,5 мМ-экв/100 г.

Рисунок 2 - Влияние удобрений на общую за интервалы рН емкость буферности к подкислению (мМ-экв/100 г) серой лесной почвы

Среди почвенных компонентов (носителей буферных реакций) мы выделяем высокодисперсные гранулометрические фракции, коллоидные растворы органической природы, гумусовые соединения.

Установлена зависимость ЕБк от содержания поглощенных оснований и различных видов кислотности (рис. 3). Например, исходя из уравнений регрессий рассчитано, что при содержании суммы поглощенных оснований около 27 мг-экв/100 г, рНводн. - 7,0 и Нг - 2,0 ед. ЕБк составит в пределах 105-110 мМ-экв/кг почвы.

Рисунок 3 - Зависимость емкости буферности от содержания поглощенных оснований (сумма кальция и магния) и актуальной кислотности

4. Устойчивость почвы к загрязнению ТМ.

При рассмотрении вопросов устойчивости серой лесной почвы к загрязнению цинком, медью, кадмием и свинцом были предусмотрены два контроля: в качестве первого служил вариант без удобрений многолетнего опыта 2, второй - отражал крайне неплодородный вариант опыта с органической системой удобрения (опыт 5, табл. 4, 5). По величинам максимальной адсорбции (Qmax) можно заключить, что при длительном применении минеральных удобрений снижается адсорбционная способность почвы к меди, кадмию и свинцу, так как в сравнении с контролем 1 Qmax (по Ленгмюру) уменьшилась на 69 и 27 мМ/кг соответственно (табл. 8).

Таблица 8 - Влияние удобрений на адсорбцию и энергию связывания почвой цинка, меди, кадмия и свинца

Вариант

Qmax, мМ/кг

ДG, кДж/моль

Zn

Cu

Cd

Pb

Zn

Cu

Cd

Pb

К-1

121

63

111

67

94

50

127

81

11,1

9,2

13,7

14,5

11,7

10,2

11,4

13,3

ОМСУ

148

65

132

72

102

50

156

75

13,6

11,7

16,3

19,3

14,3

14,8

12,2

14,3

МСУ

127

66

105

64

85

47

100

59

10,1

7,6

12,6

17,9

11,9

10,6

14,8

15,0

К-3

91

52

104

72

не опр.

не опр.

11,7

10,9

12,5

16,4

не опр.

не опр.

ОСУ

182

74

130

104

не опр.

не опр.

9,9

11,7

11,9

13,6

не опр.

не опр.

К-3+100

87

48

91

64

не ...

Страница:


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены