Динамика изменения агрохимических показателей плодородия черноземов и серых лесных почв Среднего Поволжья и приемы его воспроизводства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата сельскохозяйственных наук

Динамика изменения агрохимических показателей плодородия черноземов и серых лесных почв Среднего Поволжья и приемы его воспроизводства

06.01.04 - агрохимия 06.01.01 - общее земледелие

Тигин Владимир Павлович

Саратов - 2006

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия»

Научные руководители:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Куликова Алевтина Христофоровна;

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Вандышев Иван Александрович

Официальные оппоненты

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Попов Геннадий Николаевич

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Болкунов

Ведущая организация:

Ульяновский научно-исследовательский институт сельского хозяйства

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Проблема сохранения почвенного покрова и его плодородия не только как основы сельскохозяйственного производства, но и основы экологического благополучия окружающей среды и биосферы в целом, в настоящее время приобретает глобальное значение. Она обостряется в связи с резким падением капиталовложений в аграрное производство, в том числе сокращением применения органических и минеральных удобрений, объемов известкования почв и т.д. Последнее неизбежно приводит к ухудшению всех параметров плодородия почв и снижению продуктивности пашни.

При планировании стратегических направлений воспроизводства и сохранения плодородия почв необходима обобщающая оценка их агрохимических свойств, экспериментальные и мониторинговые исследования, которые позволяют выявить изменения уровня плодородия и его качественного состояния, разработать соответствующие мероприятия. Кроме того, принципиально важным является разработка приемов воспроизводства почвенного плодородия.

Исследования являются составной частью плана научно-исследовательской работы ФГОУ ВПО «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия» (per. № 01.200.203529).

Цель и задачи исследования. Целью исследования являлась оценка динамики изменения плодородия пахотных почв Ульяновской области, разработка приемов и концепции его воспроизводства.

В задачи исследований входило:

оценить динамику изменения основных агрохимических показателей плодородия пахотных почв Ульяновской области за 40 лет сельскохозяйственного использования на основе сплошного их мониторинга;

провести оценку современного состояния почв сельскохозяйственных угодий на основе мониторинга реперных участков;

разработать систему восстановления плодородия почв на основе крупноделяночных опытов;

разработать концепцию воспроизводства плодородия почв Ульяновской области;

определить биоэнергетическую эффективность приемов воспроизводства плодородия почвы.

Научная новизна. Применительно к условиям Среднего Поволжья на примере Ульяновской области впервые проведена оценка динамики изменения основных агрохимических показателей плодородия почв за длительный период, комплексная оценка современного состояния почвенного покрова региона на основе мониторинга реперных участков. Установлены количественные и качественные их параметры. На основе длительных опытов разработаны эффективные приемы воспроизводства плодородия почв, проведена биоэнергетическая их оценка.

Защищаемые положения:

- Результаты сплошного мониторинга плодородия пахотных почв Ульяновской области за 40 лет сельскохозяйственного использования;

- Оценка современного состояния почв сельскохозяйственных угодий области на основе мониторинга реперных участков;

- Эффективные севообороты, системы обработки почвы и удобрений.

- Концепция воспроизводства плодородия почв Ульяновской области.

Практическая значимость. Внедрение результатов исследований в сельскохозяйственное производство позволит обеспечить сохранение плодородия почв за счет оптимизации структуры использования пашни и севооборотов, систем обработки почвы и удобрений с максимальным использованием биогенных ресурсов агроэкосистем.

Полученная информационная база по состоянию почвенного покрова послужит основой для принятия обоснованных решений органами государственной власти и бизнеса при решении экономической политики в области сельского хозяйства.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований прошли производственную проверку на площади более 100 тыс. га (СПК им. Крупской, «Маяк», ООО «Чеботаевское», ООО «Весенний Сюжет», учебно-опытное хозяйство УГСХА и др.) и внедряются в хозяйствах Ульяновской области.

Положения работы являются основой рекомендаций и плана воспроизводства плодородия почв Ульяновской области и используются в учебных курсах ФГОУ ВПО «УГСХА» в процессе преподавания дисциплин: земледелие, агрохимия, система применения удобрений, методы агрохимических и экологических исследований, охрана окружающей среды и рациональное природопользование, экологическая экспертиза, экономика природопользования.

Апробация работы. Результаты исследований и положения диссертации докладывались и обсуждались на совещаниях различного ранга со специалистами агропромышленного комплекса Ульяновской области (2000-2006 гг.), на научных конференциях Ульяновской ГСХА (2004-2006 гг.), на Международной научно-практической конференции «Роль почв в сохранении устойчивости ландшафтов и ресурсосберегающее земледелие» (Пенза, 2005), на Международной научно-практической конференции «Вопросы сельского хозяйства» (Калининград, 2005), на Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы применения удобрений в сельском хозяйстве» (Владикавказ, 2005), на Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию института почвоведения и агрохимии НАН Беларуси, и III съезда почвоведов «Современные проблемы плодородия почв и защиты их от деградации» (Минск, 2006).

Публикации. По результатам исследований опубликованы 9 работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 158 страницах компьютерного текста, состоит из введения, 7 глав, выводов и предложений производству, включает 29 таблиц, 27 рисунков и 19 приложений. Список литературы включает 184 источника отечественных и зарубежных авторов.

Содержание работы

Особенности природных условий Ульяновской области, методы и методика исследований.

Климат Ульяновской области характеризуется ясно выраженной континентальностью, которая выражается резкими температурными контрастами между зимой и летом, быстрым переходом от зимы к лету и другими континентальными явлениями. Другой характерной чертой климата является его резко выраженная неустойчивость и динамичность, которая обусловливает возможность неожиданных и глубоких аномалий всех метеорологических элементов в отдельные периоды.

Агроклиматическими показателями, определяющими уровень продуктивности пашни, являются коэффициенты увлажнения и показатель биологической эффективности климата. По Ульяновской области они соответственно составляют 0,63-0,93 и от 15,53 до 20,4.

В соответствии с особенностями природных условий, являющихся факторами почвообразования, почвенный покров Ульяновской области характеризуется большим разнообразием. Он представлен богатым и сложным сочетанием разнообразных черноземов, не менее разнообразных серых лесостепных почв, перегнойно-карбонатных, пойменных почв, солонцов и маломощных слабо развитых почвенных образований. Каждый из этих типов почв встречается в виде разнообразных подтипов, разновидностей, отличающихся друг от друга мощностью гумусовых горизонтов, содержанием гумуса, степенью выщелоченности и карбонатности, гранулометрическим составом и другими признаками.

В целом в пределах Ульяновской области преобладают черноземы (69,1 %), а также серые лесные почвы (23 %). При этом выделяют пять почвенных районов: юго-западный с преобладанием серых лесных почв; юго-восточный с преимуществом выщелоченных и оподзоленных черноземов; северный, представленный разными подтипами черноземов; южный, где распространены обыкновенные и карбонатные черноземы; восточный с черноземами оподзоленными и темно-серыми лесными почвами.

Объектами исследований явились почвы Ульяновской области (прежде всего черноземы) различного гранулометрического состава.

В работе применяли сравнительно-аналитические методы, стационарные методы наблюдений на реперном участке в сочетании с полевыми стационарными крупноделяночными опытами.

Динамика изменения агрохимических показателей плодородия пахотных почв изучалась по данным многолетних обследований (1965-2005 гг.), проведенных ФГУ САС «Ульяновская». Проводился локальный мониторинг за состоянием почв на реперных участках (1994-2004 гг.), заложенных в 18 районах области.

Изучение основополагающих звеньев системы земледелия (севообороты, обработка и удобрения), оказывающих наиболее сильное влияние на основные свойства и режимы почвы, проводились на базе длительных стационарных опытов в учебно-опытном хозяйстве ФГОУ ВПО «Ульяновская ГСХА». Два из них внесены в Государственный реестр длительных опытов России. В опытах по изучению структуры использования пашни и севооборотов (с 1975 г.) изучались 4 севооборота: зернопаровой (пар чистый - озимая рожь - яровая пшеница - овес), зерновой (горох - озимая рожь - яровая пшеница - овес), зернопропашной (горох - озимая рожь - кукуруза - яровая пшеница - овес) и зернотравяный (горох - озимая рожь - викоовсяная смесь - люцерна (выводное поле) - яровая пшеница). Опыты по изучению систем обработки почвы (с 1987 г.) проводились в шестипольном зернопропашном севообороте: пар сидеральный (викоовсяная смесь, до 1996 года - пар чистый) - озимая рожь - кукуруза - яровая пшеница -горох - овес и включали 4 варианта: отвальную, плоскорезную, комбинированную в севообороте и поверхностную. Опыты по изучению систем удобрений включали 9 вариантов: 1) без удобрений; 2) NPK нормативно-балансовым методом на планируемую урожайность N 100 %, Р 80 %, к 80 % (под горох РК) от выноса с урожаями; 3) NPK + солома предшествующей культуры; 4) солома предшественника; 5) солома + N₁₀ кг/т соломы; 6) солома + N₂₀ кг/т соломы.

Анализы почвенных и растительных образцов проведены в аккредитованной испытательной лаборатории ФГУ САС «Ульяновская» (№ POCC.RU.0001.510.251) и испытательной лаборатории Ульяновской ГСХА (№ аккредитации ROCC.RU.001.513.748) по общепринятым методикам.

Результаты исследований

Динамика изменения плодородия почв, применения удобрений и

продуктивности пашни Ульяновской области за 1965-2004 гг.

Содержание гумуса. В динамике содержание гумуса за 1965-2004 гг. заметна присущая ему определенная неустойчивость показаний, связанная не столько с аналитическими погрешностями, сколько с изменением состава и чередования возделываемых культур, технологий обработки почвы, системы удобрений и другими изменениями в системе земледелия. Однако, наблюдается четко выраженная зависимость, как содержания гумуса, так и урожайности зерновых культур от уровня применения органических и минеральных удобрений.

За период с 1965 по 1990 годы интенсивность применения удобрений в области значительно возросла. Если в начале периода на каждый гектар пашни вносилось 1,3 т/га органических и 17,2 кг д.в./га минеральных удобрений, то к IV циклу они составили 3,6 т/га и 107,8 кг д.в., что позволило за этот период существенно улучшить гумусированность почв (на 0,4 % по отношению к III циклу) и повысить среднюю урожайность зерновых культур на 0,36 т/га. С началом структурной перестройки народного хозяйства страны произошло резкое снижение объемов применения средств химизации вплоть до полного прекращения использования отдельных их видов, что незамедлительно сказалось на плодородии почвы и продуктивности пашни. Неуклонно увеличиваются площади с низким и очень низким содержанием гумуса, которые на 01.01.2005 года составили 41,1 % всей площади пашни. Одновременно, начиная с 90-х годов прошлого века, почти в 2 раза уменьшились площади с высоким (>8,0 %), на 69,7 тыс. га - с повышенным и на 27 тыс. га - со средним содержанием гумуса. Практически не осталось пахотных почв с содержанием гумуса более 10 %. В настоящее время его средневзвешенное содержание в почвах не превышает 4,5 %.

Баланс элементов питания. Одним из критериев оптимальности свойств почв для произрастания растений являются уровни содержания питательных веществ в почве, которые непосредственно участвуют в формировании урожайности культур. Увеличение или снижение уровня плодородия почв существенно изменяет характер и масштаб обмена веществ в системе «почва - растение». О величине этих изменений позволяет судить баланс элементов питания.

До 1990 года вынос азота из почвы на 72-80 % компенсировался внесением азотных удобрений и, несмотря на достаточно низкое содержание гумуса - основы азотного питания растений - сложился положительный баланс азота. Возмещение выноса в среднем составило 102,3 и 107,8 %. В дальнейшем, в связи с практически полным прекращением применения минеральных удобрений (в последние годы на уровне 10 кг д.в./га всех видов) наблюдается резко отрицательный баланс азота на фоне продолжающейся дегумификации. В 2004 году возмещение выноса азота составило всего 33,1 %, а дефицит его - 65,6 кг/га.

Среднегодовое внесение фосфора с удобрениями за 1981-1985 гг. составило 20,4 кг/га, за период с 1986-1990 гг. - 25,9 кг/га, за следующее пятилетие -17,9 кг/га. Последнее позволило создать за эти годы положительный баланс фосфора в 5,8, 20,2 и 5,0 кг/га. Соответственно интенсивность баланса к 90-м годам возросла до 178 %. Однако резкое снижение объемов применения фосфорных удобрений до 1,6 кг/га неизбежно привело к отрицательному балансу по фосфору до 32,7 кг/га, а возмещение выноса в 2004 году составило всего 10,9 %.

В связи с невысоким уровнем внесения калийных удобрений баланс калия во все годы (за 40 последних лет) стабильно оставался отрицательным. Напряженность баланса, начиная с 1990 года, резко возросла и в 2004 году составила - 76,9 кг/га, а возмещение выноса - 7,3 %.

Таким образом, баланс питательных веществ по всем элементам практически достиг критического уровня. При таком балансе без внесения удобрений и принятия других неотложных мер для воспроизводства плодородия почвы в ближайшие 5-10 лет производство сельскохозяйственной продукции приведет к снижению содержания элементов питания в почве до уровня их в 1965-1970 гг., а урожайность сельскохозяйственных культур может достигнуть уровня 50-х годов прошлого века.

Кислотный режим почв. Реакция почвенной среды в ряде случаев выступает как главный фактор, ограничивающий урожайность культур. Первый цикл агрохимического обследования, проведенный в 1965-1969 годы, показал, что за этот период площадь кислых почв в среднем по области составляла 597,7 тыс. га или 32,8 % пашни. Это в основном серые лесные почвы или оподзоленные черноземы. Агрохимическое обследование позволило выявить и обеспечить первоочередное известкование наиболее нуждающихся в улучшении реакции средне- и сильнокислых почв.

В 1986-1990 годах известкование проводилось наиболее интенсивно. Однако, из 180,8 тыс. га кислых почв (сильно- и среднекислые), подлежащих ежегодной нейтрализации, эта работа проводилась лишь на 53,0 тыс. га в год. Поскольку максимальный эффект от известкования наступает лишь на третий год после внесения, то он и проявился в пятом цикле обследования уменьшением площади кислых почв до 786,8 тыс. га. После 1990 года объемы известкования снизились настолько, что в 1995 году практически прекратились. Последнее привело к прогрессирующему увеличению площадей кислых почв, которые на 1.01.2005 года составили уже 48,1 % пашни. Процесс ухудшения кислотного режима почв привел к тому, что появилось 1,6 тыс. га очень сильнокислых почв с pH_KCl < 4,0, которые вообще непригодны для культурного земледелия. В связи с прекращением известкования в последние 10 лет следует ожидать дальнейшего ухудшения кислотного режима почв области. И, как следствие, повышенная кислотность почв опять может стать лимитирующим фактором получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур.

Погодные условия, плодородие почвы, применение удобрений и урожайность сельскохозяйственных культур. В число основных факторов, от которых зависит продуктивность агроценозов, входят совокупность погодных условий и уровень плодородия почв. Количественные зависимости между свойствами почв и их продуктивностью по-разному проявляются на фоне различных климатических условий.

Анализ урожайности сельскохозяйственных культур в СПК им. Крупской и «Маяк» за последние 25 лет (1980-2005 гг.) показал, что из всех метеорологических элементов в наибольшей степени на формирование урожайности влияют осадки, как годовая сумма, так и количество их за апрель-июль (рис. 1, 2).



Рис. 1. Урожайность яровых зерновых культур в СПК «Маяк» в зависимости от количества осадков за год

Рис.2. Урожайность яровых зерновых культур в СПК «Маяк» в зависимости от количества осадков за апрель-июль

Тем не менее, поддерживание плодородия почвы на достаточно высоком уровне внесением органических и минеральных удобрений позволяет значительно снизить негативное влияние неуправляемых метеорологических факторов на урожайность сельскохозяйственных культур. Например, в СПК им. Крупской в 1982 году при годовой сумме осадков 250 мм (за апрель-июль 136 мм) внесение минеральных удобрений в объеме 102 кг д.в./га и навоза 2,4 т/га позволило сформировать урожайность озимых 3,65 т/га, яровых зерновых культур 2,74 т/га, зеленой массы кукурузы 18,7 т/га. В СПК «Маяк» в аналогичных условиях и при применении NPK 52 кг д.в./га и органических удобрений 5,2 т/га урожайность озимых культур была на уровне 2,32 т/га, яровой пшеницы 2,38 т/га, кукурузы на силос 11,1 т/га.

Оценка состояния пахотных почв на основе мониторинга реперных участков

Агроэкологический мониторинг в Ульяновской области был развернут в 1994 году. Основой его создания послужило Постановление Главы администрации области «О мониторинге земель Ульяновской области» от 17.08.1992 года. В соответствии с этим постановлением на территории области были заложены 18 реперных участков, которые отражают преобладающий тип почвы.

Агрохимические показатели. Результаты исследований подтвердили закономерности изменения плодородия почв за последние годы: практически в почвах всех реперных участков произошло снижение содержания подвижного фосфора, обменного калия, обменных кальция и магния; ухудшается кислотный режим (табл.1).

Таблица 1. Динамика агрохимических показателей за 1994-2004 гг. в почвах реперных участков

№№ РУ	Р205, мг/кг	К20, мг/кг	рНсол	Нг мг-, экв/100 г	Са2+	Mg2+, мг-экв/100 г
	1994	2004	1994	2004	1994	2004	1994	2004	1994	2004	1994	2004
1	91	73	92	98,1	5,1	4,8	3,7	2,9	14,8	17,8	2,1	1,0
2	81	67,2	141	84,6	4,8	4,4	5,0	6,1	12,4	10,98	2,4	0,6
3	102	58,4	124	76,2	5,6	5,8	2,5	1,1	17,5	19,0	5,3	3,6
4	41	92,3	65	77,1	5,0	4,9	4,9	2,9	11,7	12,1	2,7	2,1
5	159	158,1	148	138,8	6,2	6,0	1,9	2,0	15,7	18,6	2,7	2,5
б	134	128,9	129	131,9	7,1	6,8	0,3	1,3	17,3	17,5	1,2	2,0
7	221	286,7	248	192,3	6,1	5,8	2,4	2,8	13,4	16,1	2,8	1,9
8	69	71,2	108	127,4	5,2	5,6	3,5	3,5	21,6	16,2	4,9	4,0
9	147	187,1	147,0	100,2	5,9	5,9	2,7	3,3	15,5	17,8	3,3	4,1
10	260	130,	180	51,7	7,0	6,3	0,6	1,1	24,3	22,3	0,5	1,8
11	138	79,2	160	68,9	5,7	5,9	2,0	1,9	16,6	14,7	2,4	2,6
12	136	135,5	127 '	85	5,7	5,8	4,2	3,7	24,9	21,2	4,5	4,2
13	86	150	140	77,2	6,0	5,7	3,1	2,1	19,1	20,8	2,9	2,7
14	92	141,8	96	138,1	5,4	5,6	4,6	2,3	17,0	18,9	5,1	2,5
15	225	150	140	174,2	6,7	6,2	0,7	1,9	27,4	24,8	2,7	2,4
16	250	124,1	180	154,7	6,7	6,1	0,9	0,9	25,7	26,3	2,5	3,6
17	150	97,3	160	105	5,3	5,9	3,4	3,5	13,1	15,2	1,7	2,2
18	Определены разными методами	7,2	6,4	0,3	1,2	23,5	21,1	2,6	2,9

Так, темно-серая лесная почва (РУ № 2) из разряда среднекислой почвы перешла в сильнокислую, а темно-серая лесная (РУ № 1) - из слабокислой в среднекислую. Последнее, прежде всего, обусловлено потерей кальция и магния, количество которых в почвенно-поглощающем комплексе уменьшается. Заметное улучшение фосфатного и калийного режимов наблюдалось только в тех хозяйствах, где в полном объеме проводят работу по воспроизводству плодородия почвы (РУ № 14).

Содержание и запасы гумуса. При анализе данных мониторинга гумусного состояния обращает на себя внимание низкое содержание (менее 4 %) и запасы (менее 200 т/га) гумуса в почвах 8-и реперных участков и в 9-и - через 10 лет. Если учесть, что это в основном черноземы, следует признать, что содержание гумуса в почвах области приближается к критическому уровню, ниже которого существенно ухудшаются агрономические свойства почв и их способность противостоять к агрогенным нагрузкам.

Результаты исследований также показали, что дегумификация их продолжается. Так, за 10 лет наблюдений в пахотном слое чернозема оподзоленного (РУ № 4) содержание гумуса снизилось на 1 %, а его запасы на 30 т/га; чернозема выщелоченного тяжелосуглинистого (РУ № 13) - на 0,8 %, а запасы - на 24 т/га; серой лесной тяжелосуглинистой почвы (РУ № 11) - на 0,6 %.

Содержание микроэлементов и тяжелых металлов. Наряду с основными показателями, характеризующими плодородие почвы, на реперных участках ведутся наблюдения за поступлением и трансформацией тяжелых металлов (ТМ) в системе «почва - растение».

Анализ данных мониторинга за 1994-2004 гг. показал, что содержание подвижных форм кадмия, цинка и хрома не превышает ПДК, а количество свинца, никеля, меди значительно выше предельно-допустимых концентраций их в почве (по отдельным элементам и реперным участкам до 2 раз и более). Последнее приводит в ряде случаев к повышенному накоплению их в растительной продукции. По способности аккумуляции в растениях ТМ располагаются в следующий ряд Zn>Cu>Cd>Ni>Pb.

Оценка приемов регулирования плодородия почв

Структура использования пашни и севооборотов. Важнейшим фактором управления плодородием почвы является оптимизация структуры использования пашни и севооборотов.

Изучение влияния севооборотов на плодородие почвы показало, что наибольшее количество органического углерода с пожнивно-корневыми остатками поступает в нее в зернотравяном севообороте - 1,91 т/га, что почти в 2 раза больше, чем зернопаровом.

В зернотравяном севообороте в почву поступало 92 кг/га азота, в зерновом и зернопропашном по 64 и 61 кг/га и меньше всего в зернопаровом севообороте - 48 кг/га. Наибольшее количество фосфора и калия накапливалось в пожнивно-корневых остатках и соломе культур в зерновом севообороте (26 и 81 кг/га). При этом с растительными остатками в почву возвращалось 51 % фосфора и 82 % калия от общего выноса этих элементов из почвы. В зернопаровом, зернотравяном и зернопропашном севооборотах соответственно в почву поступало 48, 46 и 48 % от выноса фосфора и 79, 57 и 64 % - калия. Более напряженный баланс азота, фосфора и калия складывался в зернопропашном севообороте, по азоту и фосфору - в зернопаровом и зерновом, по фосфору и калию - в зернотравяном севообороте.

Системы основной обработки почвы

Питательный режим. Результаты исследований по изучению влияния систем основной обработки почвы на питательный режим чернозема выщелоченного показали, что нитрификационная способность по всем полям севооборота лучше была выражена по отвальной обработке почвы, что вполне объяснимо лучшими условиями аэрации при прочих равных условиях (табл. 2).

Таблица 2. Содержание NO₃ (числитель) и подвижного фосфора (знаменатель) в черноземе выщелоченном перед посевом гороха в конце 3-й ротации зернопропашного севооборота (мг/кг почвы)

Основная обработка		Глубина, см
	0-10	10-20	20-30	0-30
Отвальная	70/159	74/159	83/165	75,7/161
Плоскорезная	65/185	57/174	59/169	60,3/176
Комбинированная в севообороте	64/169	68/163	65/169	65,7/167
Поверхностная	65/182	54/167	48/159	55,7/169
НСР05	5,0/18,1	8,9/15,1	13,4/17,5	10,3/15,0

плодородие почва агрохимический показатель

При этом наблюдалась четко выраженная дифференциация пахотного слоя по содержанию нитратов: азотминерализующая способность верхнего слоя почвы заметно была выше по плоскорезному фону обработки, тогда как по вспашке происходило равномерное распределение нитратов по глубине. Более того, содержание их ниже 10-и сантиметрового слоя было выше, что обеспечивало оптимальное питание растений по всей глубине пахотного слоя.

В содержании подвижного фосфора в пахотном слое значительных изменений в зависимости от систем основной обработки почвы не наблюдалось. Однако, по содержанию подвижного фосфора в слое 0-10 см различия между вариантами опыта достоверны: по плоскорезному фону доступность фосфора растениям в 1,1-1,2 раза выше, чем по вспашке. Аналогичная закономерность наблюдалась в 1-й и 2-й ротациях севооборота. Как показали наблюдения за реакцией почвенного раствора, по безотвальным обработкам происходит смещение реакции среды в кислую сторону, что, по-видимому, создает условия для мобилизации фосфора в доступной форме.

Следует отметить, что по плоскорезной и поверхностной системам обработки происходила заметная дифференциация содержания подвижных Р₂О₅ по профилю почвы: если в слое 0-10 см в ней содержалось 182-185 мг/кг почвы фосфора, то в слое 10-20 см - на 11-15 мг/кг меньше. Отмеченная закономерность распределения подвижного фосфора по пахотному слою в зависимости от систем обработки может стать одной из причин снижения урожайности культур по плоскорезному фону.

Как показали исследования, калийный режим почвы более стабилен и в меньшей степени зависит от систем основной обработки. Тем не менее, по отвальной и комбинированной системам обработки почвы распределение подвижного калия по пахотному слою было более равномерное, тогда как по плоскорезной и поверхностной обработкам к концу 3-й ротации зернопропашного севооборота появлялась тенденция большего его накопления в поверхностном слое. Содержание подвижного калия при этом повышенное и, по-видимому, безотвальные обработки в целом не ухудшают калийного режима чернозема выщелоченного и условия его поступления в растения.

Гумусное состояние. Исходное содержание гумуса в период закладки опыта в среднем по полям севооборота варьировала от 4,94 до 5,00 % в слое 0-40 см и от 5,05 до 5,12 % в слое 0-30 см. Повторное определение содержания гумуса после прохождения ротаций севооборота показало, что произошли заметные изменения в гумусном состоянии почвы в зависимости от систем основной обработки (рис. 3).

Так, если в момент закладки опыта (1988) содержание гумуса в слое почвы 0-40 см составляло 5,00 %, то по окончании первой ротации по отвальной обработке - 4,81 %, второй - 4,63 %, третьей - 4,40 %. Таким образом, за 18 лет применения вспашки почва потеряла 28,8 т/га гумуса, или 1,6 т/га в год. По другим вариантам снижение содержания гумуса происходило с меньшей скоростью: за период с 1988 по 2005 гг. минерализация гумуса в слое почвы 0-40 см по плоскорезной обработке составила 20,8 т/га, по поверхностной - 16,1 т/га, или 1,16 и 0,89 т/га в год соответственно.

Рис.3. Динамика содержания гумуса по мере прохождения ротаций зернопаропропашного севооборота в зависимости от систем основной обработки почвы за 1988 - 2004 гг.

Почти бездефицитный баланс гумуса за этот период наблюдался только по комбинированной в севообороте системе обработки - в слое 0-40 см содержание его в 1988 году составляло 4,99 %, а в 2005 году - 4,82 %, при которой вследствие чередования как отвальных, так и безотвальных приемов воздействия на почву создавались более благоприятные условия для гумификации и закрепления в ней образующихся гумусовых веществ.

Система удобрений

Солома в системе удобрения. Как свидетельствуют результаты исследований, несмотря на то, что изменение основных агрохимических показателей достаточно трудно уловить за короткий период, тем не менее, положительные сдвиги наблюдались. При внесении ячменной соломы при возделывании гороха на фоне фосфорно-калийных удобрений, а также соломы (в том числе с азотной добавкой) появилась тенденция повышения подвижных форм фосфора, калия, а содержание нитратов осталось практически на том же уровне. Последнее позволяет утверждать, что солома зерновых культур при использовании в качестве удобрения не оказывает негативного воздействия на основные агрохимические показатели почвы, а ее дальнейшее использование сохранит имеющийся уровень плодородия. При этом совместное использование соломы и азотно-фосфорно-калийных удобрений обеспечивало за две ротации севооборота наиболее высокую продуктивность озимых, ячменя, яровой пшеницы и кукурузы (прибавка урожайности составляла 0,78; 0,77; 0,28; 7,37 т/га соответственно). При возделывании озимых с внесением гороховой соломы в чистом виде урожайность в среднем за 1994-2004 гг. превышала контроль на 0,16 т/га, яровой пшеницы (2002-2004 гг.) - на 0,13 т/га. По другим культурам (горох, кукуруза, ячмень, гречиха (1997-2001 гг.)) значимого снижения урожайности при применении соломы в качестве удобрения не происходило. При этом внесение соломы на фоне полного минерального удобрения обеспечивало положительный баланс гумуса от 80 до 1787 кг/га, фосфора - от 11 до 54 кг/га, калия - от 87 до 167 кг/га. Использование соломы без минеральных удобрений позволило значительно снизить напряженность баланса элементов питания в почве.

Нетрадиционные минерально-сырьевые ресурсы в качестве удобрения сельскохозяйственных культур. В ходе коренных социально- экономических преобразований в стране значительно усилился интерес субъектов Российской Федерации к местному минерально-сырьевому потенциалу, как одной из фундаментальных основ регионального развития.

Ульяновская область обладает очень значительными запасами минерально-сырьевых ресурсов, прежде всего высококремнистых пород осадочного происхождения: диатомитов, опок, цеолитов, которые обладают рядом свойств, ценных с агрономической точки зрения.

Результаты полевых опытов, проводимых кафедрой почвоведения, агрохимии и агроэкологии, показали высокую эффективность диатомита Инзенского месторождения при возделывании зерновых (озимые, яровая пшеница, ячмень), пропашных (кукуруза, картофель, сахарная и столовая свекла) и овощных (морковь, томаты, огурцы, капуста) культур при использовании как в чистом виде, так и в смеси с куриным пометом и минеральными (азотными) удобрениями. Например, использование диатомита в нормах 3 и 5 т/га и его смесей с минеральными удобрениями способствовало в среднем за 3 года повышению урожайности озимой пшеницы на 21-50 %; яровой пшеницы на 9-29 %; сахарной свеклы на 22-47 %. При этом улучшалось качество продукции: содержание клейковины в зерне озимой и яровой пшеницы повышалось на 0,7-1,9 и 0,7-1,6 % соответственно (абсолютные значения); содержание сахара в сахарной свекле - на 0,6-1,4 %.

Крупномасштабные производственные испытания, проведенные нами в разных хозяйствах Ульяновской области, подтвердили результаты исследований, полученные в условиях полевых опытов.

Биоэнергетическая эффективность приемов регулирования плодородия почвы

Оценка биоэнергетической эффективности систем обработки почвы показала, что без учета некомпенсированной энергии гумуса на формирование урожайности культур при производстве как основной продукции, так и фитомассы наиболее эффективной является отвальная система обработки (коэффициенты энергетической эффективности соответственно 2,54 и 6,02) (табл.3).

Однако при учете расхода гумуса на формирование урожайности культур соотношение коэффициентов энергетической эффективности севооборота в зависимости от систем основной обработки почвы резко менялось. Наиболее энергосберегающей являлась комбинированная в севообороте система обработки почвы, эффективность которой в 1,2-1,7 раз была выше по сравнению с другими вариантами. Отвальная система обработки хотя и создавала условия для получения более высоких урожаев ряда культур, но сопровождалась большей минерализацией гумуса, в связи с чем эффективность ее значительно уступала комбинированной в севообороте системе обработки почвы.

Следовательно, при анализе потоков антропогенной энергии при производстве продукции в агроценозах необходимо учитывать не только прямые и косвенные затраты техногенных энергоресурсов, но и расход энергии гумуса на формирование биомассы культур с одной стороны, с другой - расход энергии на воспроизводство плодородия почвы и, прежде всего, ее органического фонда.

Таблица 3. Биоэнергетическая эффективность зернопропашного севооборота в зависимости от систем основной обработки почвы в среднем за 2000- 2005 гг.

				Система основной обработки
Показатели	отвальная	плоскорезная	комбинированная в севообороте	поверхностная
Урожайность основной продукции, ц/га абс.-сухого вещества	32,6	25,4	30,0	25,4
Накоплено фитомассы, ц/га абс.-сухого вещества	90,3	73,4	82,8	73,5
Затраты техногенной энергии, ГДж/га	27,00	24,20	26,05	23,42
Общие затраты энергии с учетом расхода
гумуса на формирование биомассы,	69,40	50,32	37,19	38,66
ГДж/га
Накоплено энергии в основной продукции, ГДж/га	68,74	54,06	63,43	53,84
Накоплено энергии в фитомассе, ГДж/га	162,45	132,05	148,96	132,23
Содержание	1999 г.	4,63	4,71	4,88	4,76
гумуса, %	2005 г.	4,40	4,57	4,82	4,68
Биоэнергетический коэффициент	без учета расхода энергии гумуса с учетом расхода энергии гумуса	основной продукции фитомассы	2,54 6,02	2,23 5,46	2,43 5,72	2,30 5,65
		основной продукции	0,99	1,07	1,70	1,39
		фитомассы	2,34	2,62	4,00	3,42

Объем использования энергии гумуса не должен превышать уровня, при котором агроэкосистема теряет устойчивость и снижает продуктивность.

Биоэнергетическая оценка севооборотов показала, что возделывание культур в зернопаровом, зернопропашном, зерновом севооборотах сопровождается значительно более высокими энергетическими затратами, чем в зернотравяном. В зернопропашном севообороте они в 1,5 раз превышают последний севооборот. Наиболее высокие техногенные затраты происходят при возделывании кукурузы (75,1 ГДж/га) и озимой ржи по чистому пару (45,7 ГДж/га), наименьшие - люцерны, которые в 3,5 раз были меньше, чем при возделывании пропашной культуры. В связи с этим эффективность зернотравяного севооборота с учётом расхода энергии гумуса в 1,7 раз превышала зернопаровой при производстве основной продукции и в 2,5 - фитомассы.

При возделывании гороха наименьшие энергетические затраты наблюдались в вариантах с использованием соломы и соломы на фоне фосфорно-калийных удобрений, что обусловлено в первую очередь отсутствием затрат на работы, связанных с уборкой соломы. Несмотря на то, что в варианте с использованием только соломы урожайность гороха была на уровне контроля, энергетический коэффициент его заметно выше и составлял 1,13. Энергетически более эффективно возделывание гороха на фоне фосфорно-калийных удобрений (К = 1,17). В технологии возделывания озимой ржи наиболее энергосберегающей системой удобрения являлись варианты с использованием соломы и соломы с азотной добавкой N_]0, эффективность которых в 1,2-2,1 раза выше по сравнению с другими вариантами. Использование соломы при возделывании кукурузы было также энергетически наиболее эффективным. Биоэнергетический коэффициент составил 2,81, что на 8-33 % превышает остальные варианты.

Следовательно, системы удобрений сельскохозяйственных культур с использованием соломы высокоэффективны как в отношении гумусо-, так и энергосбережения.

Концепция воспроизводства плодородия почвы Ульяновской области

Концепция воспроизводства плодородия почвы предполагает, прежде всего, максимальное накопление биогенных ресурсов плодородия в агроценозах, что в значительной мере определяется севооборотом. Как показали наши исследования, наиболее эффективными в этом отношении являются зернотравяные севообороты, чистая продуктивность которых от 9 до 38 % выше остальных севооборотов (зернопропашных и зернопаровых).

В зернотравяных севооборотах в почву поступают растительные остатки с наиболее оптимальным соотношением углерода к азоту (33:1) и углерода к фосфору (130:1) и при условии использования соломы зерновых культур обеспечивалось воспроизводство содержания и запасов гумуса в почве, а, следовательно, и ее плодородия.

В регулировании плодородия почвы в лесостепи Поволжья с экологической точки зрения особого внимания заслуживают чистые пары. В Ульяновской области они оставляются для улучшения фитосанитарного состояния полей, мобилизации элементов питания в доступной форме и накопления достаточных запасов продуктивной влаги в почве до посева озимых культур. Однако, занимая в настоящее время в структуре использования пашни 14 % (230722 га в 2006 году), пары соответствующим образом не обрабатываются, зарастают сорняками и не выполняют своей роли по накоплению влаги и повышения плодородия почвы. В то же время резко снизились площади наиболее эффективной в качестве парозанимающей культуры - гороха, который позволяет повысить как зерновую, так и белковую продуктивность севооборотов. Сказанное предполагает восстановление площадей посевов гороха до уровня 90-х годов прошлого века (не менее 100-120 тыс. га), тогда как на сегодня они составляют всего 9190 га.

Большим резервом накопления ресурсов плодородия является удлинение периода связывания энергии агроценозами за счет введения промежуточных и сидеральных культур. Возделывание их на площади 150 тыс. га с одновременным использованием соломы в объеме 400-500 тыс. тонн ежегодно, имеющихся ресурсов навоза (690-700 тыс. тонн) и увеличение доли многолетних бобовых трав в структуре посевных площадей до 200-250 тыс. га позволит обеспечить простое воспроизводство плодородия почв Ульяновской области.

Приоритетным направлением в плане сохранения и воспроизводства плодородия почвы, в том числе его азотно-гумусового фонда, считается минимализация обработки почвы. Однако, минимализация обработки за счет уменьшения глубины под все культуры не всегда целесообразна, а при длительном применении сопровождается рядом негативных явлений (увеличение засоренности полей, вредоносности корневых гнилей, вредителей сельскохозяйственных культур, необходимость использования минеральных удобрений в более высоких дозах и т.д.). По результатам наших исследований эффективно комбинирование в севообороте разных систем обработки почвы, что позволяет более полно учитывать требования культур и регулировать в соответствии с ними большинство почвенных режимов и фитосанитарное состояние полей, процессы синтеза и минерализации органического вещества в благоприятном направлении.

Энергетическая оценка систем обработки почвы показывает, что комбинированная в севообороте разноглубинная обработка является наиболее энергоресурсосберегающей, биоэнергетическая эффективность которой с учетом расхода энергии гумуса более, чем в 1,5 раза, превышает остальные варианты. Кроме того, в настоящее время начинают внедряться энергоресурсосберегающие технологии возделывания культур с использованием техники нового поколения (18-метровый комбинированный агрегат типа АТД 18.35, HORSCH АГРО-СОЮЗ), с помощью которых осуществляется комплекс работ, связанных с подготовкой почвы для посева, внесение удобрений, посев и прикатывание, выравнивание поверхности поля и сохранение структуры почвы. При этом до 80 % сохраняются пожнивные остатки, на 70 % сокращается расход ГСМ и сохраняется плодородие почвы.

Мощным фактором регулирования плодородия почвы выступают удобрения. Однако в сложившихся условиях применение как органических, так и минеральных удобрений резко ограничивается из-за больших расходов на транспортировку и внесение первых и дороговизны вторых. В этих условиях возрастает роль соломы в качестве органического и нетрадиционных местных ресурсов - в качестве минеральных удобрений. В качестве последних, как показали наши исследования, большое значение имеют высококремнистые породы (диатомиты, опоки, цеолиты), которые позволят поднять земледелие на качественно новый уровень.

Таким образом, концепция воспроизводства плодородия почвы Ульяновской области предполагает максимальное накопление биогенных ресурсов в агроценозах и создание условий трансформации их в почвах в таком направлении, которые обеспечили бы оптимальную их продуктивность при сохранении плодородия почвы. Решение проблемы возможно за счет оптимизации структуры использования пашни и севооборотов, систем обработки почвы и удобрений.

Основные выводы

1. Сорокалетний мониторинг за динамикой состояния плодородия почв, внесения органических и минеральных удобрений и продуктивности пашни Ульяновской области показал:

происходит систематическое снижение запасов гумуса в почвах и средневзвешенное его содержание в настоящее время не превышает 4,5 %;

в связи с резким сокращением применения минеральных и органических удобрений (до 10-и раз и более) наметилась устойчивая тенденция снижения в почвах доступных для растений форм фосфора и калия, возросших к началу 90-х годов вследствие интенсивного применения средств химизации до

повышенного уровня;

недостаточный уровень известкования кислых почв привел к увеличению их площадей с 32,8 % в 1965-1969 гг. до 48,1 % на 1.01.2005 г. Площадь кислых почв в настоящее время составляет 751,4 тыс. га;

поддерживание плодородия почвы на необходимом уровне внесением органических и минеральных удобрений позволяет значительно снизить негативное влияние метеорологических факторов и обеспечить формирование урожайности на черноземах Среднего Поволжья на уровне 2,5-3 т/га озимых и 2-2,5 т/га яровых зерновых культур;

в почвах происходит не только снижение содержания основных элементов питания, но и ухудшаются кислотно-основные их свойства. Например, в серой лесной почве по результатам мониторинга реперных участков за 1994-2004 гг. количество подвижных Р₂O₅ уменьшилось в 2 раза, обменного К₂O - в 3,5 раз, рН_КCl -на 0,7 единиц, Нг увеличилась с 0,6 до 1,1 м-экв/100 г, содержание обменного кальция снизилось на 2 мг-экв/100 г почвы.

Содержание в почвах контролируемых тяжелых металлов (подвижные формы) находится на допустимом уровне по кадмию, хрому и цинку. Заметное превышение ПДК в почве наблюдалось по свинцу, никелю и меди. По способности аккумуляции в растениях тяжелые металлы составляют следующий ряд: Zn > Си > Cd > Ni > Pb.

Важнейшим фактором управления плодородием почвы является оптимизация структуры использования пашни и севооборотов. При этом в зерновом севообороте с растительными остатками в почву возвращалось 51 % фосфора и 82 % калия от общего выноса этих элементов из почвы. В зернопаровом, зернотравяном и зернопропашном севооборотах соответственно в почву поступало 48,46 и 48 % от выноса фосфора и 79,57 и 64 % - калия. Азота поступало в почву: в зернотравяном севообороте 92 кг/га, в зерновом 64 кг/га, зернопропашном 61 кг/га, в зернопаровом 48 кг/га. Более напряженный баланс азота, фосфора и калия складывался в зернопропашном севообороте, по азоту и фосфору - в зернопаровом и зерновом, по фосфору и калию - в зернотравяном севообороте.

При комбинировании в севообороте способов основной обработки почвы в соответствии с требованиями культур в почву поступало большее количество растительных остатков и создавались более благоприятные условия для их гумификации и почти бездефицитный баланс гумуса. Нитрификацион-ная способность в пахотном слое почвы лучше была выражена по отвальной системе обработки. Систематическое плоскорезное рыхление и поверхностная обработка приводили к снижению содержания нитратного азота в 1,3-1,4 раза соответственно и дифференциации его по пахотному слою. Безотвальные способы обработки способствовали повышению подвижности фосфора в почве по сравнению со вспашкой: в поверхностном слое в 1,2 раза по плоскорезной и в 1,1 раза - по поверхностной обработке. Калийный режим почвы был стабилен и в меньшей степени зависел от систем обработки почвы.

Использование соломы совместно с минеральными удобрениями, рассчитанными на планируемую урожайность, является наиболее целесообразным при возделывании сельскохозяйственных культур. Применение соломы в системе удобрений в чистом виде не приводило к заметному повышению урожайности ряда культур, но позволяло получать такое же количество продукции при значительно меньших производственных затратах. При этом уровень рентабельности повышался на 11 %.

Высококремнистые породы в качестве удобрения являются уникальным средством как для сохранения плодородия почвы, так и повышения урожайности и получения экологически безопасной продукции: использование диатомита в нормах 3 и 5 т/га и его смесей с минеральными удобрениями способствовало повышению урожайности озимой пшеницы на 21-50 %; яровой пшеницы на 9-29 %; сахарной свеклы - 22-47 %. Производственные испытания подтвердили результаты полевых опытов.

При анализе потоков антропогенной энергии при производстве продукции в агроэкосистемах необходимо учитывать не только затраты техногенных ресурсов, но и расход энергии гумуса на формирование урожайности культур. В условиях лесостепи Поволжья биоэнергетическая эффективность зерно-травяного севооборота с учетом затрат энергии гумуса на формирование урожайности культур в 1,7 раз превышала зернопаровой севооборот. При этом с точки зрения энерго- и гумусосбережения наиболее эффективна разноглубинная комбинированная в севообороте система основной обработки почвы, сочетающая поверхностную обработку под озимые (на 10-12 см), плоскорезную -под яровые зерновые (на 20-22 см) и отвальную - под горох (на 25-27 см) и пропашные (на 28-30 см) культуры.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ

Для воспроизводства плодородия почв Ульяновской области рекомендуеся:

внести коррективы в структуру посевных площадей и севооборотов, увеличив доли многолетних бобовых трав до 200-250 тыс. га, промежуточных культур и сидератов до 150 тыс.га. Наиболее энергетически эффективными являются зернотравяные севообороты;

использовать максимальное количество соломы (400-500 тыс. тонн), имеющиеся ресурсы навоза (690-700 тыс. тонн) и минерально-сырьевые ресурсы области (диатомиты, опоки, цеолиты) в качестве удобрения;

практически освоить комбинированную в севообороте систему обработки почвы. При этом под озимые основную обработку целесообразно проводить поверхностную на 10-12 см, под горох и пропашные - вспашку соответственно на 25-27 и 28-30 см, под яровые зерновые - плоскорезную на 20-22 см. Предусматривать внедрение новых энергоресурсобсерегающих технологий возделывания сельскохозяйственных культур с использованием современной техники (18-метровый комбинированный агрегат типа АТД 18.35, HORSCH АГРО-СОЮЗ).

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Тигин В.П. Гумусное состояние черноземов Ульяновской области / Куликова А.Х., Тигин В.П. // Роль почв в сохранении устойчивости ландшафтов и ресурсосберегающее земледелие. Материалы Международной научно-практической конференции. Пенза, 2005. С.228-230.

Тигин В.П. Гумусное состояние черноземов Ульяновской области на основе мониторинга реперных участков // Вестник Ульяновской ГСХА, 2005. №1.С.6-10.

Тигин В.П. Воспроизводство плодородия лесостепи Поволжья / Куликова А.Х., Карпов А.В., Тигин В.П. // Проблемы сельского хозяйства. Межвузовский сборник научных трудов. Калининград, 2005. С.88-96.

Тигин В.П. Динамика содержания гумуса в почвах Ульяновской области / Куликова А.Х., Тигин В.П. // Актуальные вопросы применения удобрений в сельском хозяйстве. Материалы Международной научно-практической конференции. Владикавказ, 2005. С.41-44.

Тигин В.П. Оценка загрязнения пахотных почв Ульяновской области подвижными формами тяжелых металлов / Куликова А.Х., Саматов Б.К., Ти-гин В.П. // Вестник Ульяновской ГСХА, 2006. № 2. С.5-10.

Тигин В.П. Теоретические и организационно-технические аспекты решения задач, поставленных приоритетным национальным проектом «Развитие АПК» в Мелекесском районе / Галиакберов А.Г., Тигин В.П., Байгу- лова А.А. // Ульяновск-Агро, 2006. С.6-7.

Тигин В.П. Эколого-агрохимическая оценка плодородия черноземов Ульяновской области / Куликова А.Х., Тигин В.П. // Современные проблемы повышения плодородия почв. Материалы Международной научно-практической конференции. Минск, 2006. С.131-133.

Тигин В.П. Результаты 18-летних исследований систем основной обработки почвы в условиях Заволжья Ульяновской области / Куликова А.Х., Вандышев И.А., Карпов А.В., Шайкин СВ., Ерофеев С.Е., Антонов И.В., Захаров Н.Г., Тигин В.П. // Вестник УГСХА, 2006. № 3. С. 12-21.

Тигин В.П. Динамика изменения плодородия почв в Ульяновской области за 40 лет / Куликова А.Х., Тигин В.П. // Плодородие, 2006. № 6.

Размещено на Allbest.ru

...