Эколого–агрохимические факторы устойчивости серой лесной почвы к подкислению в условиях юга Центрального Нечерноземья

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальности: агрохимия - 06.01.04 экология - 03.00.16

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

ЭКОЛОГО-АГРОХИМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ УСТОЙЧИВОСТИ СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЫ К ПОДКИСЛЕНИЮ В УСЛОВИЯХ ЮГА ЦЕНТРАЛЬНОГО НЕЧЕРНОЗЕМЬЯ

ЗУБЕЦ А.Н.

Москва 2008

Работа выполнена на кафедре агрохимии и почвоведения Рязанской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора П.А. Костычева (в настоящее время Рязанский государственный агротехнологический университет имени профессора П.А. Костычева)

Научный руководитель:

доктор сельскохозяйственных наук, Ушаков Роман Николаевич

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Костин Яков Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Шильников Игорь Александрович

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Иванов Евгений Сергеевич

Ведущее предприятие:

Рязанский научно-исследовательский и проектно-технологический институт АПК

Защита диссертации состоится « 18 » декабря 2008 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 006.029.01 ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт имени Д.Н. Прянишникова по адресу 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, 31 а, ВНИИА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВНИИА.

Ученый секретарь диссертационного совета С.И. Цыганок

1. Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В современных условиях сельскохозяйственного природопользования, наряду с продукционной функцией почвы, учитывают ее способность к проявлению системной устойчивости к комплексу неблагоприятных воздействий. Устойчивость почв обеспечивает стабильное производство растениеводческой продукции, приближает решение важных экологических, агрохимических и других задач.

Одним из опасных неблагоприятных воздействий в земледелии является подкисление пахотных почв. В Российской Федерации более 50 млн. га почв с избыточной кислотностью, ежегодный недобор урожая сельскохозяйственных культур на которых составляет 16-18 млн. тонн в пересчете на зерно. Более половины пахотных почв центрального округа России имеют повышенную кислотность. В Рязанской области таких почв около 70%, при этом тенденция к увеличению их относительной доли в структуре почвенного покрова сохраняется.

Подкисление является одним из основных факторов, ухудшающих почвенное плодородие и лимитирующих урожайность сельскохозяйственных растений. Оно создает условия для деградации минерального комплекса почв, вследствие инициирования необратимых процессов разрушения глинистых минералов (Чижикова, 1992, 1998, 2002); способствует подавлению активности полезной биофазы (Green, 1976; Graw, 1979) и ослаблению органно-минеральных взаимодействий (Травникова, 2003), снижает устойчивость почвы к воздействию неблагоприятных факторов, в частности, к загрязнению тяжелыми металлами (Овчаренко, 2002; Цыганок, 2002); снижает эффективность внесения минеральных удобрений (Шильников, Аканова, 2001). В конечном итоге, следует ожидать ухудшение питания культурных растений, их продуктивности и качества растениеводческой продукции.

Среди множества сведений, приводимых авторами в научной литературе по проблеме кислотности почвы, не достаточно полно представлены материалы, посвященные экологическим аспектам устойчивости почвы к подкислению, как одному из неблагоприятных факторов в земледелии. Оценка кислотного состояния почвы в контексте проблемы устойчивости должна содержать не только традиционные показатели, но и другие, которые характеризуют процессы, механизмы в системе «неблагоприятный фактор > почвенный раствор - твердая фаза, биофаза», с включением их в существующие модели плодородия почв. Одновременно с этим важно выявить эдафические компоненты устойчивости (на разных уровнях структурной организации почвы), с тем, чтобы, улучшая их функциональное состояние через агротехнику, влиять на почвенную кислотность.

В работе отражены результаты, полученные в многолетних опытах с удобрениями на примере серых лесных почв.

Цель и задачи исследований. Цель работы состоит в агроэкологическом научном обосновании условий, влияющих на устойчивость серых лесных почв к почвенной кислотности в условиях южной части Нечерноземной зоны России. Для ее решения ставились следующие задачи:

1. Изучить состояние кислотности основных пахотных почв Рязанской области.

2. Установить влияние многолетнего применения различных форм удобрений и комплексного окультуривания на устойчивость серой лесной почвы к подкислению.

3. Выявить математические зависимости емкости буферности от обменной и гидролитической кислотности, суммы обменных оснований.

4. Оценить влияние некоторых компонентов почвы на формирование устойчивости почвы к подкислению.

5. Сравнить агрохимические и физико-химические свойства (буферность) серой лесной почвы под пашней, лугом и лесом.

6. Провести микробиологическую диагностику устойчивости почвы к подкислению.

7. Выявить влияние подкисления на устойчивость почвы к загрязнению цинком.

8. Определить влияние кислотности почвы на урожайность ячменя, кукурузы (зеленая масса), картофеля и качество растениеводческой продукции.

Научная новизна. На базе многолетних стационарных полевых опытов с минеральными удобрениями и комплексным окультуриванием серой лесной почвы, сравнительного анализа почв под разными угодьями изучены агрохимические и агроэкологические аспекты устойчивости почвы и ее компонентов к подкислению.

Предложена система показателей, характеризующих устойчивость почвы к подкислению. Использован метод микробиологического биотестирования устойчивости на основе определения численности основных групп микроорганизмов.

Впервые для серых лесных почв установлены математические зависимости показателей устойчивости от обменной и гидролитической кислотности, суммы обменных оснований, что может иметь прогностическое значение.

Установлено влияние кислой реакции почвенной среды на урожайность ячменя, кукурузы, картофеля и качественные показатели растениеводческой продукции. Приведено практическое и теоретическое обоснование параметров физико-химической и биологической устойчивости к подкислению.

Практическая значимость работы. Обосновано применение комплексного окультуривания серой лесной тяжелосуглинистой почвы, как фактора, повышающего ее устойчивость к подкислению.

В системе мониторинга и предупреждения деградационных процессов рекомендовано наряду с традиционными показателями, характеризующими кислотное состояние почв, определять и включать в модели плодородия показатели емкости, интенсивности буферности, коэффициент буферности и потенциальную буферную способность.

Обоснована необходимость создания в определенных случаях в системе агроландшафта луговых экосистем.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Рязанской государственной сельскохозяйственной академии им. профессора П.А. Костычева с 2004 по 2008 годы, на научной конференции «Х Юбилейные Докучаевские молодежные чтения» Санкт-Петербургского государственного университета, Санкт-Петербург 2007 г., международной научной конференции «Проблемы и перспективы развития аграрного сектора» Смоленской ГСХА, Смоленск 2007 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и выводов. Работа изложена на 149 страницах печатного текста, содержит 25 таблицы, 27 рисунков, 17 приложений. Список литературных источников включает 157 наименований, из них 30 - зарубежных авторов.

Автор выражает благодарность научным руководителям Р.Н. Ушакову и Я.В. Костину, а так же Л.В. Ильиной, Т.А. Соколовой и Н.П. Чижиковой за постоянную помощь и поддержку при выполнении работы.

2. Содержание работы

1. Проблема кислотности и устойчивости почв к подкислению (обзор литературы)

Приведен анализ научных публикаций, касающихся состояния кислотности почв на территории регионов России и стран мира. Отмечено увеличение площадей кислых пахотных почв на территории большинства регионов, а также причины прогрессирующего подкисления. Рассмотрена буферность почвы к подкислению, условия и факторы, ее определяющие. Подчеркивается, что в научной литературе недостаточно информации по вопросу буферности почв к кислотной нагрузке. Показано влияние кислотности на основные свойства почв, на изменение минеральной основы почвы, урожайность и качество растениеводческой продукции.

2. Условия и методика проведения опытов и исследований

Почвенно-климатические условия

Объектом исследований являлись серые лесные почвы. В зоне проведения исследований в Рязанской области климат умеренно-континентальный. Средняя температура самого холодного месяца - 9°С, самого теплого 18,8°С. Период с температурой выше 10°С длится 140-146 дней, выше 5°С - 180 дней. Сумма температур выше 10°С равна 2200°С.

Годы проведения исследований мелкоделяночного полевого опыта (2006-2007) характеризовались засушливыми условиями при высоких летних температурах и минимальном количестве осадков.

Методы исследований.

По инициативе профессора Е.А. Жорикова в 1962 г. был заложен многолетний опыт по изучению эффективности разных форм азотных удобрений на серой лесной почве (регистрационный номер 02.11.61.405.01). При изучении буферности почвы к подкислению из данного опыта были взяты варианты с многолетним применением кальциевой селитры и хлористого аммония (Nx). На делянках с хлористым аммонием на площади 0,5 м2 осенью вручную была внесена известь из расчета 3 т/га (РК+Nх+известь). Начиная с 1967 г., проводится испытание различных форм фосфорных удобрений с целью выявления их влияния на продуктивность и качество продукции культурных растений (регистрационный номер 02.11.61.405.02). Из данного опыта нами был выбран вариант с многолетним использованием двойного суперфосфата (Рсд). Объединенные варианты отмеченных опытов в нашем случае образовали опыт 1. Агрохимическая характеристика почвы представлена в табл. 1.

Из многолетнего стационарного опыта (опыт 2) по комплексному окультуриванию серой лесной почвы с внедрением систем удобрений, обработки, севооборотов, заложенного в 1970 г., профессором Л.В. Ильиной, были взяты контрольный вариант без удобрений с традиционной основной системой обработки почвы на 20 см в зернопропашном севообороте и вариант с дозами минеральных и органических удобрений, рассчитанных на рекомендуемый уровень плодородия, при разноглубинной обработке в зернотравянопропашном севообороте (С-II+в.н.у.+Ог-20) (сохранена номенклатура вариантов, используемая Л.В. Ильиной).

Таблица 1 - Агрохимическая характеристика почвы в опытах

Примечание: НП - неокультуренная почва, ОП - окультуренная почва

Многолетние полевые опыты заложены по методике ВНИИА.

Для изучения влияния уровня плодородия почвы и подкисления на микробиологическую активность был заложен опыт 3. Схема опыта включала два варианта: без удобрений, отражающий, судя по агрохимическим сведениям табл. 1 неокультуренную почву (НП) - агроистощенный вариант, и с навозом (ОП). Для этого за период 1999-2004 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.

В опыте 4 определяли количество основных групп микроорганизмов в окультуренной и неокультуренной почве (агроистощенной) при близкой к нейтральной и кислой реакции почвенного раствора (солевая вытяжка). Агрохимическая характеристика изучаемых вариантов представлена в табл. 1.

Для определения влияния гранулометрического состава и коллоидов на устойчивость серой лесной почвы к подкислению был проведен ряд модельных опытов (опыт 5):

Для изучения влияния сельскохозяйственных угодий на устойчивость почвы к подкислению были исследованы почвенные образцы, отобранные на пашне, под широколиственным лесом и разнотравным косимым лугом, возраст которых более 50 лет. Отмеченные экосистемы составляют единый ландшафт, так как для них характерны одинаковые геоморфологические, гидрологические, литологические условия. Образцы отбирались с глубины 0-20 и 20-30 см. Агрохимическая характеристика приведена в таблице 2.

Таблица 2 - Агрохимическая характеристика серой лесной почвы под разными угодьями

В мелкоделяночном опыте 6 изучали влияние кислотности почвы на урожайность и качество растениеводческой продукции ячменя, кукурузы (зеленая масса) и картофеля. Моделировали подкисление почвы путем добавления в нее раствора кислоты из расчета формирования рНсол 4,3-4,5, рНсол 5,1-5,2 и рНсол 6,1 (фоновая кислотность). Во всех вариантах влажность почвы на момент посева и посадки культурных растений составила 25-27 % от абсолютно-сухой массы.

Использовали следующие сорта: ячмень - Зазерский 85, кукуруза - Бемо 182, картофель - Невский.

Учетная площадь делянки для ячменя 1,5 м2, для картофеля и кукурузы 3,0 м2. Повторность 3-х кратная.

Анализы почв, растений выполнены в соответствии с общепринятыми методиками (Методические указания..., ВНИИА, 2003).

Буферность к подкислению (емкость (ЕБк) и интенсивность () буферности) определяли методом непрерывного потенциометрического титрования - НПТ. (Т.А. Соколова и др., 2001) Кроме указанных основных показателей были предложены дополнительные.

Для расчета потенциальной буферной способности почв к подкислению (ПБС[H+]) мы использовали следующую формулу:

ПБС[H+]=С[H+]/(С[H+]i - С[H+]о),

при этом

С[H+]= С[H+]+С[H+]о-С[H+]i,

где ПБС[H+] - потенциальная буферная способность к подкислению, С[H+] - отражает количество абсорбированных ионов водорода, С[H+]i - равновесная концентрация ионов водорода в растворе после взаимодействия титранта с почвой, С[H+]iо - нулевая равновесная концентрация ионов водорода в почве.

Коэффициент буферности (КБ) представляет собой отношение поглощенных ионов водорода к кислотной нагрузке:

КБ=С[H+]/С[H+]

Модифицированная интенсивность буферности характеризует количество титранта, пошедшего на сдвиг рН системы не на единицу, как в случае с интенсивностью буферности, а на любое изменение рН в пределах заданных кислотных нагрузок, которые можно разбить на диапазоны. При этом суммарный диапазон состоит из начальных значений рН, конечный - рубежных значений рН, за которыми почву характеризуют по кислотности как неблагоприятную для большинства культурных растений. Этот показатель рассчитывали аналогично интенсивности буферности, и обозначили символом

=Н+/рН

где рН изменение кислотности в ответ на нагрузку Н+

Мы считаем, что с агрономической точки зрения целесообразно разделить диапазоны кислотности рН от НТТ до 4,5 и от 4,5 до 3,0.

Для исследования влияния агрохимического состояния почвы на буферность к кислоте были определены следующие показатели: обменная кислотность по методу ЦИНАО (ГОСТ 26484), гидролитическая кислотность по Каппену в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26212) , содержание подвижных форм фосфора по Кирсанову в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26207) и калия по Масловой, содержание гумуса по Тюрину в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26213), сумма поглощенных оснований по Каппену-Гильковицу.

Для определения количества микроорганизмов в почве использовали следующие методы: грибы определяли на сусло-агаре, целлюлозоразлагающие бактерии - на среде с карбоксиметилцеллюлозой Имшенецкого и Солнцева, актиномицеты - методом посева почвенной суспензии на среду R2A (Difco) с добавлением почвенного экстракта, нистатина и налидиксовой кислоты, аммонифицирующие бактерии - на органических и синтетических средах (Руководство…, 1983). Изучение активной микрофлоры проводилось модифицированным методом Н.Г. Холодного на агаризованных стеклах. Содержание азотобактера определяли на среде Эшби методом почвенных комочков. Было изучено развитие почвенных водорослей в зависимости от кислотности.

Оценку буферной способности к цинку производили по параметрам ионообменной адсорбции тяжелых металлов - максимальной адсорбции и буферной способности в области низких исходных концентраций катионом цинка - от 0 до 0,31 мМ/л при соотношении почва/раствор, равном 1/20 (Соколова и др., 1991; Водяницкий и др., 1998), 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 определяли как тангенс угла наклона (тангенсная буферность, Beckett, 1971).

Потенциальную буферную способность рассчитывали по формуле:

ПБС = Qmax•К/(1+Сравн.•К)•(1+Сo.•К)

где Qmax - максимальная адсорбция катиона ТМ (мМ/кг); С0. - концентрация ТМ (мМ/л) при нулевой исходной концентрации; Сравн. - равновесная концентрация (мМ/л).

Буферность к цинку определяли графически. Значение угла, рассчитанного по спрямленной изотерме, можно перенести на фактическую изотерму, для того чтобы определить на ней точки касательной и концентрацию тяжелых металлов или их активность.

Крахмал в клубнях картофеля определяли поляриметрически; клетчатку по методу Кюршенера и Ганека в модификации А.В. Петербургского.

В работе использованы производственные данные Областного управления статистики по состоянию кислотности почв и обеспеченности пахотных почв элементами питания за разные интервалы времени (статистические отчеты).

Для статистической обработки экспериментальных данных применяли методы дисперсионного, корреляционного, регрессионного и других видов статистического анализа (Доспехов, 1985) с использованием программного комплекса «STATISTICA».

Результаты исследований

3. Агрохимический фактор устойчивости

3.1. Влияние удобрений на устойчивость серой лесной почвы к подкислению. Под действием многолетнего применения различных форм удобрений в почве сформировались специфические режимы кислотности в соответствии с применяемыми агротехнологическими подходами. Многолетнее применение хлористого аммония вызвало сильное подкисление почвы, подкисление также произошло в варианте с двойным суперфосфатом. Кальциевая селитра и комплексное окультуривание сдвинуло величину рН в щелочную сторону по сравнению с контрольным вариантом. При одновременном внесении хлористого аммония и последующем известковании происходит нейтрализация и первоначальная величина рН была одинакова с вариантом - кальциевая селитра.

Среди представленных вариантов емкость буферности варьируется в пределах от 4,17 мМ-экв/100 г в варианте с хлористым аммонием до 10,8 мМ-экв/100 г в варианте с комплексным окультуриванием. Наибольшие значения емкости буферности наблюдались при сдвиге рН к 3,0, интервальная сумма же во многом зависит от первоначальной кислотности образца.

Средние значения КБ и ПБС[Н+] (формулы 1,3) указывают на активизацию буферного комплекса почвы при комплексном окультуривании. Так, ПБС[Н+] этого варианта почти в 8 раз выше, чем контрольного, в то время как ПБС[Н+] в варианте с хлористым аммонием - в 19 раз ниже контроля (табл. 3).

Анализ таблицы 3 показывает, что комплексное окультуривание, хлористый аммоний с известкованием, кальциевая селитра наиболее благоприятны с точки зрения улучшения буферной способности почвы. В контрольном, и варианте и с двойным суперфосфатом произошло понижение общей ЕБк, хлористый аммоний же показал себя как самый неблагоприятный вариант, сильно понижающий ЕБк почвы.

При совместном внесении хлористого аммония и известковании в дозе 3 т/га наблюдается возрастание значений всех показателей буферности выше контрольного варианта, что свидетельствует о необходимости применения известковых материалов при внесении физиологически кислого хлористого аммония.

По интервалам рН значения всех представленных выше показателей значительно менялись: емкость буферности со сдвигом рН к 3,0 возрастает, а ПБС и КБ напротив, уменьшались.

Таблица 3 - Показатели буферности серой лесной почвы в зависимости от формы применяемых удобрений и комплексного окультуривания (ЕБк в мМ-экв/100г)

*ЕБк - общая, КБ и ПБС - средняя по диапазонам

Буферная зона зависит от интервала рН раствора и характеризуется своим потенциалом нейтрализации ионов водорода (Ульрих, 1983). В нашем опыте наибольшей емкостью обладала алюминиевая буферная зона. Её вклад в общую буферность колебался от 50% до 100 %. Катионно-обменная зона имела емкость от 24% до 35%. Силикатная до 21% и карбонатная - до 6%.

В результате опыта 2 нами установлено, что емкость и коэффициент буферности тесно коррелирует с содержанием поглощенных оснований кальция, магния и различными видами кислотности (табл. 4).

Таблица 4 - Зависимость емкости и коэффициента буферности от различных видов кислотности, суммы поглощенных оснований и степени насыщенности основаниями

3.2. Микроорганизмы как индикаторы устойчивости почвы к подкислению. Наряду с физико-химическими показателями буферности к кислоте нами была рассмотрена жизнедеятельность основных групп почвенных микроорганизмов при средней и повышенной кислотности.

При рН 5,8 в почве наблюдалось наибольшее количество микроорганизмов, использующих минеральные формы азота и аммонификаторов. удобрение окультуривание лесной почва

При подкисления до рН 4,1 было отмечено сокращение численности аммонификаторов, микроорганизмов, использующих минеральные формы азота, актиномицетов, целюлозаразрушающих и нитрифицирующих бактерий. Количество грибов, напротив, увеличилось.

Наиболее чувствительными к подкислению оказались нитрифицирующие бактерии, численность которых уменьшилась до 22 % от контрольного варианта; количество микроорганизмов, использующих минеральные формы азота, сократилось до 40,5%. Такая же закономерность отмечена по аммонификаторам и актиномицетам (рис. 1). Численность грибов возросла на 64%.

Примечание:1 - аммонификаторы (млн. шт); 2 - микроорганизмы, использующие минеральные формы азота (млн. шт); 3 - актиномицеты (млн. шт); 4 - грибы (тыс. шт); 5 - целлюлозоразрушающие (тыс. шт); 6 - нитрифицирующие бактерии (тыс. шт).

Рисунок 1 - Микробиологическая активность серой лесной почвы в зависимости от кислотности

В условиях кислотной нагрузки окультуривание почвы становится одним из основных факторов устойчивости почвы и ее микрофлоры. В окультуренной почве (рис. 2) при подкислении снижения численности микроорганизмов практически не наблюдалось, в отличие от неокультуренной, в которой было выявлено снижение общей биогенности. Если при фоновой рН, равной 6,0, общее количество микроорганизмов составило 41,64 КОЕ·106/г, то после добавления кислоты 0,018 мМ/л (рН 5,3) оно снизилось до 19,16·106 КОЕ /г, далее до 15,80 и 12,00·106 КОЕ /г соответственно при нагрузке 0,044 и 0,120 мМ/л. В окультуренной почве при данных нагрузках снижения численности микроорганизмов не наблюдалось.

Примечание: 1 - грибы; 2 - аммонифицирующие бактерии; 3 - бактерии, использующие органические азотосодержащие вещества; 4 - бактерии, ассимилирующие азот минеральных солей; 5 - нитрифицирующие бактерии; 6 - целлюлозоразрушающие бактерии; 7 - актиномицеты