0

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальности: 06.01.03 - агропочвоведение, агрофизика 03.00.16 - экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ ПОЧВЕННО-РАСТИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЮЖНОГО ЧЕРНОЗЕМА НА ЗАЛЕЖАХ

Каземиров С.В.

Саратов 2007

Работа выполнена в ФГУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» и ГНУ НИИСХ Юго-Востока РАСХН

Научные руководители :

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Медведев Иван Филиппович;

доктор сельскохозяйственных наук, доцент Назаров Виктор Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Надежкина Елена Валентиновна

доктор сельскохозяйственных наук Бокарев Владимир Григорьевич;

Ведущая организация - ФГНУ Российский научно-исследовательский и проектно-изыскательский институт сорго и кукурузы

Защита состоится «27» апреля 2007 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.061.06 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» по адресу: 410012, г. Саратов, Театральная пл. д. 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ»

Автореферат разослан «___» ____________ 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета А.Н. Данилов

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Распашка почв является одним из наиболее существенных факторов деградации степных экосистем, которая впоследствии приводит к нарушению естественного хода миграции, воспроизводства элементов в почвенном профиле и снижению способности поддерживать потенциал плодородия почв.

Отчуждая с полей урожай, человек размыкает частично или полностью биологический круговорот веществ. Даже частичная потеря уровня плодородия почвы не дает возможность почве выполнять в полной мере свои экологические функции, и она начинает деградировать, т. е. ухудшать свои свойства.

Растительность - первичное звено биологического круговорота зольных веществ. Снабжая почву органическими остатками, она является одним из основных факторов почвообразования. Различные растительные сообщества отличаются показателями продуктивности и качества. Недостаточный учет экологии почвенного покрова в условиях интенсивного использования приводит к росту в нем доли малоплодородных почв, что в свою очередь негативно отражается на биологической продуктивности агроландшафтов (Медведев, 2005).

Это одна из основных причин перевода пашни в залежное состояние. По статистке около 500 тыс. га пашни в Правобережье Саратовской области находятся в постоянной или периодически возобновляемой залежи. Растительность - по сути, единственный компонент природной среды, способный противостоять разрушительному действию комплекса процессов деградации почв.

В условиях черноземной зоны процесс восстановления почвенно-растительного комплекса при переводе пашни в залежное состояние остается малоизученным, что определило важность и актуальность проводимых исследований.

Цель и задачи исследований. Изучить процесс формирования почвенно-растительной системы при переводе пашни в залежное состояние, определить основные этапы и направления развития отдельных агроэкологических процессов в почве и их взаимосвязь с восстанавливающейся растительностью.

Для реализации цели исследований были поставлены следующие задачи:

Определить показатели, которые наиболее полно контролируют экологическую обстановку процесса трансформации почвенно-растительной системы в постантропогенный период использования пашни.

Выявить закономерность формирования флористического состава залежных фитоценозов.

Установить степень изменения морфологических, физических и водно-физических свойств южного чернозема при прекращении механических обработок почвы.

Выявить связь между уровнем содержания в почве гумуса, основных элементов питания растений с количеством и качеством поступающих в почву органических остатков залежных фитоценозов.

Определить уровень влияния минеральных удобрений на продуктивность и качество органических остатков фитоценозов, и их связь с длительностью нахождения пашни в залежном состоянии.

Установить эколого-энергетическую и экономическую эффективность приемов восстановления залежной пашни.

Научная новизна. Впервые для условий южного чернозема Поволжья получены опытные данные изменения почвенно-растительной системы в условиях длительного отсутствия механических обработок пашни.

Выявлена роль длительности залежного состояния пашни в формировании флористического состава фитоценозов, уровня их продуктивности и качества, определена связь агроэкологических свойств и режимов почвы с процессом перестройки растительных сообществ, установлена роль фактора интенсификации земледелия в процессе восстановления почвенно-растительной системы.

Практическая значимость. С учетом динамического ухудшения качественного состояния черноземных почв, перевода больших площадей пашни в залежное состояние, полученная в результате проведенных исследований информация может служить научным обоснованием для определения временных рамок приемов восстановления плодородия деградированных почв и на этой основе совершенствовать процесс организации территории и повышения производства экологически чистой сельскохозяйственной продукции.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях в г. Курске 2003 и 2005 гг., г. Омске 2005 г., г. Ставрополе, 2005 г., на Всероссийской научно-практической конференции, г. Саратов, 2004 г., научно-практической конференции преподавателей и аспирантов ФГО ВПО “СГАУ им. Н.И. Вавилова”, Саратов, 2003, 2004, 2005 гг., на международной конференции молодых ученых, г. Волгоград, 2006 г.

По результатам исследований опубликовано 8 научных работ, в том числе одна - в реферируемом журнале.

Реализация результатов исследований. Результаты проведенных исследований апробированы в КФХ «Вагнер К.К.» Самойловского района, ООО «Балашов-зерно» и ООО «Агро-Альянс» Балашовского района Саратовской области.

Степень личного участия. В основе диссертации лежат собственные исследования автора, проведенные в 2003-2006 гг., являющиеся составной частью разделов тематического плана исследований лаборатории агроландшафтов и эрозии почв ГНУ “НИИСХ Юго-Востока” на 2000-2005 гг., по проблеме 02.01.01 “Для черноземной зоны Поволжья провести ресурсную оценку основных типов агроландшафтов с целью их теоретического обоснования и разработки различных систем, приемов повышения их экологической и продуктивной устойчивости”, а также материалы базовых стационарных исследований отдела земледелия. Всем сотрудникам, принимавших активное участие, в подготовке диссертационной работы выражаю свою благодарность.

Положения, выносимые на защиту:

1. Этапы развития растительного покрова на южном черноземе в процессе длительного залежного использования почвы.

2. Степень изменчивости растительного покрова на залежах и его роль в восстановлении морфологических признаков и улучшении экологического состояния южного чернозема.

3. Продуктивность и качество растительных остатков залежных фитоценозов определяется длительностью нахождения пашни в залежном состоянии.

4. Удобрения увеличивают продуктивность и качество поступающих в почву органических остатков залежных фитоценозов, тем самым сокращают сроки восстановления деградированной пашни.

5. Уровень развития почвенно-растительной системы, даже на 55-летней залежи не достиг, а лишь приблизился к уровню целинного аналога;

6. Определена агроэкологическая и экономическая целесообразность восстановления деградированных почв через залежь.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 187 страницах компьютерного текста, состоит из введения, 7 глав, выводов и предложений производству, включает 23 таблицы, 15 рисунков, 5 фотографий, имеет 17 приложений. В список литературы входят 279 источников отечественных и зарубежных авторов.

УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проведены в 2003-2006 гг. на базе стационарных опытов ГНУ НИИСХ Юго-Востока и кафедры агрохимии и почвоведения СГАУ им. Н.И. Вавилова.

Схема опыта включала неудобренные и удобренные азофоской варианты из расчета N16P16K16 и N32P32K32 д.в. на 1 га: целину, 10-30-55-летнюю залежь, многолетние травы, сопряженную с целиной и многолетними травами бессменно обрабатываемую пашню.

Организация полевых опытов, проведение наблюдений и исследований осуществлялись по общепринятым методикам и соответствующим ГОСТам.

Почва опытного поля - чернозем южный тяжелосуглинистый маломощный на четвертичных отложениях. Залежные варианты опыта размещаются в одной почвенной катене.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Трансформация растительного покрова на залежах. Естественная степная растительность на черноземных почвах в основном представлена типчаково-разнотравно-полынной группировкой (рис. 1).

Рис. 1. Состав растительных семейств на 55-летней залежи и целине

Процесс восстановления естественной растительности на залежной пашне проходит в несколько этапов (бурьянистая, пырейная и другие, вплоть до степной, состоящей из кустовых злаков).

В фитоценозе 10-летней залежи на период уборки находилось 6 растительных семейств, включающих 21 вид, в том числе 11 видов растений семейства сложноцветных, 4 злаковых и 2 бобовых. Наибольшее распространение здесь получили: пырей ползучий, пижма обыкновенная, осот полевой, полынь горькая, молокан татарский; из бобовых - клевер луговой, горошек мышиный и др.

На 30-летней залежи количество семейств увеличилось до 8, а видов растений до 22. В структуре растительного сообщества на 17% снизилась доля сложноцветных, на 20% увеличилась доля злаковых. Растительный покров здесь представлен видами растений приближенных к представителям травостоя целинных участков. Наиболее яркими представителями этого фитоценоза являются: овсяница желобчатая, горошек мышиный, пижма обыкновенная, лапчатка серебристая, белокудренник черный, пустырник сизый, живокость полевая, вьюнок полевой, подорожник большой. Здесь впервые в составе травостоя появляются лисохвост луговой, овсяница желобчатая, тысячелистник тонколистный, цикорий обыкновенный и др.

На 55-летней залежи количество семейств составило 10, что на 25% выше, чем на 30-летней залежи. При этом число видов растений выросло до 24, а в растительной структуре набор растений из семейства сложноцветных и злаковых был таким же, что и на целине. По количеству бобовых растений фитоценоз 55-летней залежи уступал целинному растительному сообществу.

Доминирующее положение на 55-летней залежи занимают те растительные формации, которые предъявляют наименьшие требования к условиям существования (влаге, элементам питания и др.) и находятся в наиболее близкой связи с целинными представителями. К ним относятся: донник лекарственный, клевер средний, ястребинка румянковая, полынь понтийская, девясил германский, шалфей остепненный и др.

Местность начинает приобретать характер луговых степей. Сомкнутость травостоя достигает 90-100% при средней высоте растений 50 см.

Наиболее широко здесь представлены: кострец безостый 60%, овсяница желобчатая 50%, а подчиненное положение занимают: полынь горькая 20%, тысячелистник тонколистный 15%, цикорий обыкновенный 12% и др., а также представители семейства бобовых растений, такие как вики, чины, клевера, донники, которые отличаются высоким содержанием клетчатки, жиров, золы и азота.

Доля бобовых растений в проективном покрытии растет по мере увеличения длительности нахождения пашни в залежном состоянии. В ботаническом составе 10-летней залежи доля растений этого семейства занимала только 0,9%, на 30-летней залежи их доля в общем, проективном покрытии, увеличивается до 10%, а на 55-летней до 14%, что всего лишь на 2,6% ниже, чем в целинном травостое. Здесь широко представлены мышиный горошек 15%, донник лекарственный 4,0% и чина клубненосная 5%. В проективном покрытии целинного фитоценоза доля мышиного горошка увеличивается до 30%, а чины клубненосной до 20%. Обладая, азотофиксирующими функциями эти растения в большей мере пополняют почву органическим азотом, чем другие растения.

Изменение отдельных морфологических свойств почвы. Распашка естественных угодий, длительность ее использования в интенсивном формате и последующий перевод этой почвы в экстенсивное использование отчетливо отражается на морфологических признаках почвы.

Характер изменения в использовании пашни человеком особенно четко отражается на глубине вскипания и залегания карбонатного слоя по профилю почвы (рис. 2).

Рис. 2. Влияние постантропогенного использования пашни на глубину
залегания карбонатов и вскипания почвы от 10% соляной кислоты

На целинном участке карбонаты в виде белоглазки выделяются на границе между горизонтами (А0) и (А1) с глубины 8,5 см. Распашка гумусового слоя почвы ведет к механическому разрушению карбонатного слоя. В сопряженной с целинным участком пашне, карбонатный слой, в виде белоглазки определяется на глубине 70 см. Однако, глубина вскипания почвы от соляной кислоты остается почти на уровне целинного аналога.

По мере увеличения срока нахождения пашни в постантропогенном состоянии, глубина залегания карбонатного слоя в почве, по сравнению с пахотным вариантом, повышается и стремится к целинному аналогу. Так в почве под 10-летней залежью карбонатный слой был обнаружен на глубине 53 см, на 30-летней он уже достиг 31см, а на 55-летней поднялся до 22 см.

В то же время, максимальная глубина вскипания определена на целине и бессменной пашне, на 10-летней залежи фиксировалась на глубине 25 см, а на 55-летней на 36 см, т.е. более близкой к целинному аналогу и бессменной пашне. Пересечение кривых на графике показывает, что только после 30-летнего постантропогенного использования пашни начинается активное восстановление карбонатного слоя почвы. Однако, даже под 55-летней залежью глубина залегания карбонатного слоя не достигла целинного аналога.

В пределах одного типа, подтипа и разновидности почвы почвенный профиль может изменяться под воздействием как природных, так и антропогенных факторов.

Наиболее динамичными показателями трансформации почвенного профиля при изменении способа использования пашни или смены растительной формации, являются: мощность гумусного горизонта и глубина проникновения гумусовых веществ по профилю почвы.

В условиях южного чернозема мощность горизонта (А0) на целине составила 8,5 см, что соответственно на 29,4-41,2-70,6% выше, чем на 55-30 и 10-летней залежи.

В почвенном профиле бессменной пашни нижняя граница гумусного горизонта, по сравнению с целинным профилем, поднялась на 2 см, а граница горизонта (ВС) на 25 см.

Непрерывность естественных процессов гумусообразования, обусловленных ежегодным оставлением растительных остатков и поступлением в почву продуктов метаболизма микрофлоры в глубь почвы привели к проникновению их в глубокие слои. Поэтому в залежных профилях средневзвешенная нижняя граница гумусовых горизонтов была на 3 см ниже, чем в длительно обрабатываемой пашне и на 1 см выше, чем в целинном аналоге.

В то же время, нижняя граница (ВС) в среднем по залежным почвенным профилям, по сравнению с целиной, находилась на 21,3 см выше. Даже на 55-летней залежи граница переходного горизонта (ВС) была на 18 см выше, чем под целиной.

Активность процессов накопления и использования гумуса значительно влияют на относительное и абсолютное содержание гумуса в профиле почвы. Максимальное относительное содержание гумуса в горизонтах (А+В) отмечено под целиной. Нахождение пашни в залежном состоянии оптимизировало содержание гумуса в почве. Увеличение гумуса в почве определялось временем нахождения пашни в залежном состоянии. Так если на 55-летней залежи относительное содержание гумуса в горизонтах (А+В) было на уровне целинного аналога, то в 30-летней залежи на 1,06, а на 10-летней на 1,76% ниже, чем под целиной. Наиболее растянут гумусовый горизонт в естественном профиле почвы. Относительное содержание гумуса в горизонтах (ВС) и (С) нераспаханной почвы было на 40,7 и 38,9% выше, чем в соответствующих горизонтах под 55-летней залежью. По мере увеличения длительности залежного состояния пашни, количество гумуса в нижележащих горизонтах увеличивалось. Так в горизонтах (ВС) и (С) под 10-летней залежью относительное содержание гумуса составило всего лишь соответственно 34 и 44,1% от уровня содержания гумуса в аналогичных горизонтах целинного варианта. В горизонте (ВС) длительно обрабатываемой пашни, относительное содержание гумуса было в 5,4 раза, а в горизонте (С) в 6,5 раза ниже, чем в аналогичных целинных горизонтах.

Максимальные запасы гумуса 356 т/га обнаружились в почвенном профиле целинных почв. Запас гумуса в почвенном профиле и сопряженной с целиной пашни, за время ее интенсивного использования снизился в два раза.

Залежное состояние пашни, за счет ежегодно поступающей растительной массы, оптимизирует ее гумусное состояние. Наиболее низкие темпы формирования гумуса на залежах отмечены в первые 10 лет, высокие после 30 лет залежного состояния пашни.

Восстановление гумусного состояния почвы сопровождается оптимизацией физических и водно-физических свойств деградированной пашни. За 10 лет залежного состояния пашни суммарное содержание фракций 10-0,25 и 0,25-0,05 мм в гранулометрическом составе 20 см слоя почвы выросло на 33,6%. На 30 и 55-летней залежах по сравнению с 10-летней эта фракция увеличилась соответственно на 36,4%-64,2%, однако не достигла целинного аналога.

Максимальный выход (79,7%) агрономически ценных фракций (10-0,25 мм) отмечался из верхнего горизонта целинной почвы, минимальный (47,7%) из пахотного слоя сопряженной с целиной пашни.

Близким к целинной почве по величине выхода фракции (10-0,25 мм) оказалась пашня длительной залежи (55 лет). Содержание фракции 10-0,25 мм в верхнем слое этого участка составило 78,7% или на 1% ниже, чем в аналогичном горизонте целинного участка.

Различия по уровню содержания агрономически ценной фракции в почве нашли отражения при формировании уровня коэффициента структурности. Максимальный уровень (3,9) коэффициента структурности сформировался в верхнем (А) горизонте целинного участка, минимальный (0,9) в (Апах) бессменной пашни полевого севооборота (рис. 3).



Рис. 3. Влияние залежного состояния пашни на структурный состав гумусного слоя южного чернозема

Наиболее близкой по уровню оструктуренности к целинному аналогу оказалась почва 55-летней залежи. Средневзвешенный коэффициент структурности почвы верхнего горизонта (А) и подпахотного горизонта (В) на старовозрастной 55-летней залежи был на 8,4% ниже, чем в аналогичных целинных горизонтах.

Отсутствие механических обработок почвы, ежегодное поступление свежего органического вещества, которое затем трансформируется в гумусовое вещество, усиливают структурообразующие способности элементарных почвенных частиц почвы.

Наиболее активно этот процесс протекает в целинных почвах. Полученный коэффициент водопрочности гумусового горизонта (А+В) целинной почвы был на 38,9% выше, чем в аналогичном слое постоянно обрабатываемой почве полевого севооборота.

Полученные коэффициенты водопрочности на залежных участках были близки, но уступали целинному аналогу. Даже на 55-летней залежи этот показатель был на 11,1% ниже, чем в соответствующем горизонте целинного аналога. флористический фитоценоз чернозем почва

Уровень содержания в почвенно-поглощающем комплексе кальция и магния определяется, прежде всего, генезисом почвы. Судя по полученным в процессе проводимых исследований результатам, содержание, как кальция, так и магния в почвенно-поглощающем комплексе при различном сельскохозяйственном использовании пашни подвержено значительным колебаниям (табл. 1).

Таблица 1 Изменения отдельных физических и химических свойств южного чернозема под влиянием различного сельскохозяйственного использования (слой 0-30 см)

Сельскохозяйственные фоны	Плотность, г/см3	Порозность, %	Отношение
1. Целина	1,11	66	2,4
2.Сопряженная с целиной пашня	1,16	48	1,2
3. Залежь 55 лет	1,17	63	1,8
4. Залежь 30 лет	1,21	58	1,3
5. Залежь 10 лет	1,21	56	1,4

Причина широкого колебания поглощенных оснований, даже в одной почвенной катене - состав подстилающих пород, а также трансформация растительных фитоценозов.

Максимальное количество кальция отмечено в почвенно-поглощающем комплексе целинной почвы, минимальное под бессменной пашней.

По мере преобразования растительного покрова на залежных участках в почвенно-поглощающем комплексе растет доля кальция, что приводит к более узкому соотношению между катионами кальция и магния.

Наиболее широкое отношение (2,4) между кальцием и магнием отмечено в почвенно-поглощающем комплексе целинной почвы. Интенсивное использование почвы в полевом севообороте привело к увеличению магния в почвенно-поглощающем комплексе и уменьшению коэффициента отношения между кальцием и магнием по сравнению с целинным аналогом в два раза.

Оптимальные экологические условия на целинном участке выразились через суммарную порозность почвы. На естественном необрабатываемом фоне в верхнем горизонте она составила (66 %). На длительной, систематически обрабатываемой пашне она снизилась на 27,3 %. По суммарной порозности, почва 55-летней залежи почти достигает уровня целинного аналога.

Результаты проведенных опытов показывают, что экологически обоснованным эталоном оптимального уровня плотности сложения может служить целинная почва, которая не подвергается механической обработки, а вся растительная масса фитоценоза ежегодно поступает на поверхность почвы.

Прекращение механического воздействия на почву в процессе ее обработки и увеличения поступления органических остатков в почву, приводит к постепенному снижению плотности ее сложения.

На участке с 3-х летними многолетними травами, плотность сложения почвы в горизонте (Апах) до их распашки, по сравнению с (Апах) бессменной пашни полевого севооборота, имела тенденцию к некоторому росту (2,6%). Это объясняется тем, что растения люцерны, развивая очень мощную корневую систему, значительно иссушают почву, тем самым, уплотняя ее.

Более длительный период нахождения почвы без механической обработки, смена растительных формаций приводит к снижению плотности сложения почвы. На 10-летней залежи плотность сложения верхнего горизонта почвы по сравнению с бессменной пашней уменьшилась на 6,0%.

На начальных этапах восстановления почвы через залежь на ней господствующее положение занимает двудольная сорная растительность (малакан татарский, горчак розовый, осот полевой и др.), развивающая мощную надземную массу и глубоко проникающую корневую систему, которая также значительно иссушает и уплотняет почву, а после отмирания подвергается весьма длительному разложению микроорганизмами, что и говорит о слабом развитии горизонта (А0).

По мере увеличения длительности нахождения пашни в залежи, плотность сложения снижется. На 55-летней залежи, плотность сложения гумусового горизонта была на 12,5% ниже, чем у целинного аналога.

Динамика минерального азота почвы. В условиях различного использования пашни выявленная динамика содержания минерального азота подчиняется общим, установленным закономерностям ее колебания. Падение его содержания от всходов и до конца вегетации трав происходит по мере усиления потребления его растениями и снижением влагообеспеченности почвы.

В условиях достаточно хорошей влагообеспеченности за период проведения исследований, содержание минерального азота в почве, в среднем по всем анализируемым вариантам, начиная от фазы отрастания трав до уборки урожая уменьшилось в 8,1 раза.

Коэффициент использования культурами полевого севооборота минерального азота из почвы составил 94,8%, на залежных участках и целине соответственно 89,8 и 89,3%.

Способ использования пашни оказал большое влияние на структуру минерального азота в почве.

В структуре минерального азота бессменной пашни преобладающая форма азота - нитратная. Соотношение между нитратной и аммиачной формами, в почве интенсивно обрабатываемой пашни в среднем равнялось 4. На 10-летней залежи оно составило 0,46, на 30-летней - 0,44 и на 55-летней - 0,48. В почве целинного участка это соотношение было почти в два раза уже, чем на залежных участках (0,20).

На удобренных азофоской вариантах, в среднем за вегетационный период по всем анализируемым фонам различного использования пашни, нитратов в почве содержалось на 37,5% выше, а аммиачного азота на 17,2% ниже, чем на неудобренных. Максимальное количество минеральных форм азота, как на удобренных, так и на неудобренных вариантах, отмечено на целине и залежных участках, минимальное на - пашне.

В течение вегетационного периода на залежных участках поддерживается определенное равновесие в почве между двумя формами азота. В почве целинного фитоценоза преобладает аммиачная форма, а на бессменной пашне - нитратная.

Доступный фосфор. Максимальное содержание доступного фосфора отмечено на целинном участке. Содержание его в верхнем (А) горизонте было в 1,8 раза больше, чем в аналогичном горизонте бессменной пашни полевого севооборота. На залежных участках отмечается более высокое содержание доступного фосфора, чем на бессменной пашне, что связано с аккумуляцией его в верхнем горизонте за счет отмирающих растений. Внесение фосфорных удобрений не оказало заметного влияния на содержание доступного фосфора.

Обменный калий. За все годы наших исследований, обеспеченность южного чернозема обменным калием была высокой. Незначительные колебания в содержании обменного калия отмечены по этапам развития растений в сторону его уменьшения от начала вегетации к уборке трав.

Вносимые дозы минеральных удобрений, содержащих обменный калий, оказали малозаметное влияние на его динамику в почве.

Продуктивность фитоценозов. Продуктивность фитоценозов, особенно естественных, определяется уровнем биоклиматического потенциала территории (Левицкая, 2000; Медведев, 2005).

В среднем за три года проведенных исследований максимальные запасы влаги ранней весной определялись на пашне, минимальные - на целине. С плотной пашни, к которым относится залежь и целина, в период весеннего снеготаяния в гидрографическую сеть сбрасывается больше паводковых вод, чем с распаханной пашни.

По запасам накопленной к весне продуктивной влаги залежь занимает промежуточное положение между пашней и целиной.

В соответствии с динамикой и уровнем минерального питания, которые складывались ежегодно в почве, сформировалась продуктивность различных фитоценозов (табл. 2.).

Таблица 2 Продуктивность пашни при ее различном сельскохозяйственном использовании, т/га к.ед (2004-2006 гг.)

Удобрения (фактор Б)	Сельскохозяйственное использование пашни (фактор А)
	многолетние травы, 3 года	залежь 10 лет	залежь 30 лет	залежь 55 лет	целина
Контроль б/у	1,85	1,45	0,87	0,91	0,93
N16 P16 K16	2,31	2,28	1,47	1,62	1,21
N32 P32 K32	2,69	3,14	2,21	2,23	1,79
НСР по фактору А	0,561*
НСР по фактору Б	0,486*
НСР по фактору АБ	0,972*

*- достоверно на 5%-ном уровне значимости

Уровень продуктивности естественного травостоя на целине был почти в 2 раза ниже, чем сеянных многолетних трав в зернотравяном севообороте.

На залежных вариантах максимальный сбор сухой органической массы (1,45 т/га кормовых единиц) был получен на 10-летней залежи. Рост продуктивности фитоценозов на залежных участках остановился в период между 20-ю и 30-ю годами. На 30-летней залежи, продуктивность по сравнению с 10-летней снизилась на 40%.

Анализ показал, что растительность залежных фитоценозов при формировании вегетативной массы в одинаковой мере использовала как нитратную, так и аммиачную форму азота. Коэффициент корреляции между уровнем продуктивности и нитратной формой азота постоянно усиливался (при отрастании трав r = 0,32, середине вегетации трав r = 0,37 и в уборку трав r = 0,42), с аммиачным азотом ослабевал (r = 0,40), (r = 0,32), (r = 0,37). В среднем за период вегетации уровень корреляции продуктивности с нитратным азотом составил 0,55, а с аммиачным азотом был несущественным и составил всего лишь 0,16.

Применение азофоски из расчета N16P16K16 на 1 га, в среднем по всем удобренным вариантам позволило на 50% повысить продуктивность трав, а при внесении двойной дозы (N32P32K32) в два раза.

Более эффективно минеральные удобрения действовали на залежных участках. В среднем за три года, максимальная прибавка продуктивности от внесения минерального удобрения была получена на варианте с 55-летней залежью. По сравнению с неудобренным контролем прибавка продуктивности от внесения одинарной и двойной дозы составила соответственно 80 и 150%. По мере снижения длительности нахождения пашни в залежном состоянии, эффективность удобрений, независимо от величины вносимого удобрения, падала. Так на 10-летней залежи по сравнению с 55-летней она снизилась соответственно: по одинарной дозе на 28,9% и на 29,0% по двойной.

Снижение эффективности минеральных удобрений по сравнению с залежными участками отмечено на пашне под многолетними травами и на целинном варианте. Усредненная прибавка урожая трав от внесения двух доз азофоски, по сравнению с вариантом без удобрений, составила на многолетних травах 35,1%, а на целинном варианте 61,2%.

Качество органической массы фитоценозов. Ежегодно поступающие органические растительные остатки в почву служат пищевым продуктом для почвенной микрофлоры и основой для формирования гумусовых веществ почвы.

Результаты проведенных зоотехнических и химических анализов органической массы растений, убранной в фазу цветения, показали, что на их состав большое влияние оказывают способы использования пашни и вносимые минеральные удобрения (табл. 3).

Таблица 3 Содержание отдельных зоотехнических ингредиентов
органической массой растений, кг/га (2004-2006 гг.)

Варианты опыта (фактор А)	Удобрения (фактор Б)	Содержание, кг/га
		жиры	зола	клетчатка
1. Целина	1. контроль	59,6	145,1	512,5
	2. удобренный*	103,9	219,0	845,6
	%, прибавки	74,3	50,9	65,0
2. Среднее по залежным фитоценозам	1. контроль	77,2	198,0	609,4
	2. удобренный*	144,1	299,3	1127,1
	%, прибавки	86,7	51,2	85,0
3. Многолетние травы (3 года)	1. контроль	99,2	255,7	949,1
	2. удобренный*	129,9	346,2	1236,3
	%, прибавки	30,9	35,4	30,3

* - в среднем по 2 вариантам (N16Р16К16 + N32Р32К32)

Максимальное содержание органической массой этих зоотехнических показателей отмечено на многолетних травах. Уровень содержания многолетними сеяными травами сырой клетчатки был в 1,85 раза, золы в 1,76 и жира в 1,66 раза выше, чем на целинном варианте.

Залежные фитоценозы по содержанию клетчатки, золы и жира в органических остатках занимали промежуточное положение между целинными фитоценозами и многолетними травами.

В среднем по всем залежным участкам, с органическими растительными остатками в почву поступало клетчатки в 1,19, золы в 1,36 и жира в 1,30 раза выше, чем на целинном варианте и ниже чем с многолетними сеяными травами соответственно в 1,56-1, 29-1,28 раза.

По мере увеличения длительности нахождения пашни в залежном состоянии, количество поступающих в почву с органическими остатками клетчатки, жира и золы уменьшалось.

На удобренных залежных вариантах по сравнению с целинными аналогами поступления клетчатки, золы и жира с органической массой в почву увеличивалось соответственно на 33,3-36,6-38,7%.

По химическому составу более концентрированной оказалась растительная масса многолетних трав. Средневзвешенная концентрация химических элементов (С, N, Са2+, Мg2+, Р, К) в органической массе многолетних трав на варианте без удобрений была на 7,1% выше, чем с залежных вариантов и на 6,9% выше чем с целинных участков.

В среднем по всем вариантам без применения удобрений органическая масса растений, которая поступала в почву, содержала: углерода 48,5, азота 1,29, кальция 0,71, магния 0,66, фосфора 0,66 и калия 1,32%.

Очень важными показателями для восстановления плодородия почвы являются отношения углерода к азоту и кальция к магнию (рис. 4).

Рис. 4. Влияние длительности залежи и удобрений на отношения в растительных остатках

Более узкими они были в многолетних травах, а широкими в растительных остатках с целины. По мере удаления от активных механических обработок почвы, отношения между углеродом и азотом в растительной массе залежных ценозов становятся шире, что объясняется опережающим ростом в растительной массе углерода.

Закономерность изменения отношений между кальцием и магнием, по сравнению с отношением между углеродом и азотом менее выражена.

Удобрения, при их внесении в почву, изменяют ее питательный режим. Однако, оптимизация экологических условий вегетации трав, за счет внесения удобрений, не привела к кардинальным изменениям их химического состава.

Средневзвешенная концентрация химических показателей в растительной массе полученной на удобренных вариантах, была всего лишь на 0,3% выше, чем с неудобренных. Относительное повышение составило: углерода 0,4%, азота 0,35%, кальция и магния соответственно 0,24% и 0,2%.

Поэтому уровень отношений между углеродом и азотом на удобренных вариантах по сравнению с неудобренными становится уже. Наиболее заметно этот процесс выражен на многолетних травах и 55-летней залежи.

Различия в использовании пашни отразилось на выносе химических элементов.

Колебания в величинах выноса обусловлены, прежде всего, уровнем продуктивности различных фитоценозов. Максимальное количество органической массы формировалось многолетними травами. Поэтому, содержание химических элементов в многолетних травах было выше, чем в среднем с целинного и залежных неудобренных вариантов: углерода в 1,5, кальция в 4,9, магния в 4,9, азота в 2,1, фосфора в 1,5 и калия в 2,5 раза. Среди залежных неудобренных вариантов более высокие показатели поступления химических элементов с растительной массой в почву наблюдались на 10-летней залежи.

Удобрения оказали положительное влияние на поступление химических элементов в почву. Поэтому с удобренных вариантов в почву поступало больше углерода на 61,1%, кальция на 48,1%, азота примерно в 2 раза, фосфора на 47,1 и калия на 71,7% больше, чем с неудобренных.

На залежных удобренных участках, по сравнению с не удобренными, снижение выноса химических элементов с растительными остатками отмечалось по углероду, кальцию, магнию и азоту на 30-летней, а по калию и фосфору на 55-летней залежи.

Установлена корреляционная зависимость между уровнем продуктивности ценозов и величиной поступающей с отмирающими растениями в почву химическими элементами. Наиболее высокий уровень связи был получен для углерода (r = 1,0), азота (r = 0,93), для фосфора (r = 0,87), а для калия (r = 0,96). Для кальция и магния он оказался одинаково средним (r = 0,66).

Эколого-энергетическая и экономическая оценка потенциала почвы залежной пашни. Залежное состояние способствует восстановлению энергии почвы. За 55 лет нахождения пашни в залежном состоянии почва смогла восстановить около 40% утерянной почвенной энергии (рис. 5).

Рис. 5. Изменение энергопотенциала почвы в процессе ее залежного состояния

Наиболее активно наращивание почвенной энергии отмечается после 30-летнего нахождения пашни в залежном состоянии. Основная причина дифференциации темпов аккумуляции энергии - смена видового состава растительности. Под многолетними бобовыми травами накопление энергии происходит быстрее, чем на 10-летней залежи, что является подтверждением выявленной закономерности.

Экономический анализ данных показал, что уровень затрат независимо от длительности нахождения пашни в залежном состоянии был одинаковым по всем вариантам и отличался только при внесении различных доз удобрений.

Удобрения в 1,5-2,0 раза увеличивают продуктивность фитоценозов на залежных участках. Поэтому затраты на варианте с двойной дозой азофоски были в 1,44 раза выше, чем при внесении одинарной дозы.

Производственные затраты оказали определенное влияние на себестоимость полученной продукции. Себестоимость продукции на варианте с двойной дозой удобрения была на 14,8%, а с одинарной на 13,0% выше, чем на контроле. На целинном аналоге эти показатели по сравнению с контрольным вариантом выросли соответственно до 47,0-44,0%. При этом максимально чистый доход был получен на 10-летней залежи. На варианте без применения удобрений он был в 1,93 раза выше, чем на аналогичном целинном варианте.

Удобрения снизили себестоимость производимой продукции. Наиболее низкие показатели себестоимости продукции и уровни рентабельности производства были получены на 10 и 55-летней залежи.

ВЫВОДЫ

1. В условиях интенсивного длительного использования пашня на южном черноземе потеряла более 52% запасов гумуса, что привело к разбалансированию свойств и режимов почвенной системы.

2. На залежах происходит поэтапное восстановление степной растительности. Доля наиболее ценных для формирования гумуса почвы бобовых растений увеличилась с 0,4% на 10-летней залежи до 14% на 55-летней залежи, но не достигла уровня целинного аналога.

3. В процессе постантропогенного использования пашни отмечается частичное восстановление морфологических свойств южного чернозема. Так, глубина залегания карбонатного слоя и горизонт вскипания от 10% НСl на 55-летней залежи в значительной мере приблизились к целинному аналогу, но не достигли его уровня.

Максимальные абсолютные запасы гумуса (356 т/га) обнаружились в почвенном профиле целины. На сопряженной с целиной бессменной пашне они снизились в два раза. Залежное использование пашни в течение 55 лет позволило восстановить и поддержать запасы гумуса только на 65% уровне от запасов целинного аналога.

4. За счет систематического поступления растительных остатков залежных фитоценозов в почву доля ценных для оструктуривания почвы фракций размером 10-0,25 и 0,25-0,05 по сравнению с пашней полевого севооборота увеличилась в среднем соответственно на 49,1% и 6,8%, но не достигла уровня целинного аналога. При этом коэффициент структурности гумусового горизонта 10 и 30-летней залежи по сравнению с аналогичным слоем постоянно используемой пашни вырос в 2,5 раза. Полученные коэффициенты водопрочности на залежных участках были близки, но уступали целинному аналогу. Даже на 55-летней залежи этот показатель был на 11,1% ниже, чем в соответствующем горизонте целинного аналога.

5. Залежь не нарушила ранее выявленную сезонную закономерность изменения питательных элементов в постоянно обрабатываемой пашне. Снижение питательных элементов под залежными фитоценозами происходило от весны к лету по мере созревания степной растительности.

В структуре минерального азота почвы постоянно обрабатываемой пашни преобладала нитратная, а под степными фитоценозами аммиачная форма азота. Динамика фосфора и калия в почве была менее выражена, чем у минерального азота, однако общая закономерность снижения содержания элементов минерального питания от весны к лету по мере усиления потребления их растениями просматривалась достаточно четко.

Удобрения оказали положительное влияние на содержание питательных элементов в почве.

6. Максимальный сбор сухой органической массы (1,45 т/га кормовых единиц) был получен на 10-летней залежи. По мере удаления во времени почвенно-растительной системы от активной механической обработки пашни продуктивность фитоценозов прогрессивно снижалась. На 30 и 55-летних залежах по сравнению с 10-летней залежью она снизилась соответственно на 66,7 и 59,3%. Продуктивность целинного аналога была на уровне 55-летней залежи.

Максимальная прибавка продуктивности от внесения минерального удобрения (111,5%) в среднем за три года была получена на варианте с 55-летней залежью. По мере снижения длительности нахождения пашни в залежном состоянии эффективность удобрений уменьшалась. Так на 10-летней удобренной залежи по сравнению с 55-летней она снизилась в среднем на 25,2%.

На целинном варианте и на многолетних травах, по сравнению с залежами, отмечено снижение соответственно на 61,2% и 35,1% эффективности внесения азофоски.

7. По мере увеличения длительности нахождения пашни в залежном состоянии, количество поступающих клетчатки, жира и золы в почву с органическими остатками уменьшалось. Прибавки жира, золы и клетчатки в органической массе от удобрений на залежных вариантах были соответственно на 38,7-36,6-33,3% выше, чем на соответствующих целинных аналогах. Основная причина заметных различий в поступление этих ингредиентов в почву - различия в ботаническом составе растительности.

8. По мере роста доли бобовых растений в структуре растительного фитоценоза содержание общего азота в органической массе увеличивалось с 1,16% на 10-летней залежи до 1,29% на 55-летней и до 1,35% на целине.

С удобренных вариантов в почву поступало больше: углерода на 61%, кальция на 48, магния на 47, азота на 105, фосфора на 46 и калия на 72% чем с вариантов без удобрений и на 66,1-41,8-61,4 и 63,6% соответственно выше углерода, кальция, магния, и азота, чем с аналогичных целинных вариантов.

9. За 55 лет нахождения пашни в залежном состоянии почва смогла восстановить около 40% утерянной почвенной энергии. Наиболее активно наращивание почвенной энергии отмечается после 30-летнего нахождения пашни в залежном состоянии.

Размер условного чистого дохода и себестоимость продукции определялись уровнем продуктивности степных фитоценозов. Чем выше продуктивность фитоценозов, тем больше размер чистого дохода и ниже себестоимость получаемой продукции.

Удобрения способствовали увеличению размера чистого дохода и снижению себестоимости произведенной продукции. На неудобренной 10-летней залежи величина чистого дохода была в 1,93 раза выше, чем на аналогичном целинном варианте.

Наиболее низкие показатели себестоимости продукции и уровни рентабельности производства были получены на удобренных вариантах 10 и 55-летней залежи.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ

1. Имеющиеся в хозяйстве сильно деградированные почвы, в силу их низкой продуктивности, следует переводить в залежь. Перевод в залежное состояние - один из основных способов экологической оптимизации структуры земельных угодий, восстановления производительной способности почвы и решения с меньшими энергетическими затратами кормовой базы для животноводства.

2. В целях более быстрого восстановления уровня плодородия деградированной пашни, продуктивности и качества органической массы, хозяйствующим субъектам в первые годы после прекращения механических обработок почвы следует высевать многолетние бобово-злаковые травы, а ранней весной при бороновании применять минеральные удобрения в дозах не более N16-32 Р16-32 К16-32.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Каземиров С.В. Состояние азотного фонда черноземных почв Саратовской области: матер. межрегион. конф. молод. учен. и спец. системы АПК Приволж. фед. округа. Вавиловские чтения /И.Ф. Медведев, Л.Б. Сайфуллина, С.В. Каземиров. - Саратов, 2003 СГАУ, С. 1-2.

2. Каземиров С.В. Деградация, охрана и восстановление черноземов Поволжья // Модели и технология оптимизации земледелия: сб. докл. Междунар. науч.-практич. конфер. /И.Ф. Медведев, Л.Б. Сайфуллина, С.В. Каземиров - Курск, 2003. - С. 161-164.

3. Каземиров С.В. Изменение продуктивности и химического состава органических остатков в процессе ремутации деградированной пашни: матер. Всерос. науч.- пр. конф., посвящ. 117-й годовщине со дня рождения академика Н.И. Вавилова /И.Ф. Медведев, В.А. Гусев, С.В. Каземиров. - Саратов, 2004. - С. 70-73.

4. Каземиров С.В. Реакция почвенно-растительной системы на залежное использование пашни // Основы рационального природопользования : сб. научн. тр. Сарат. ГСХ им. Н.И. Вавилова /И.Ф. Медведев, С.В. Каземиров. - Саратов, 2005. - С. 73-76.

5. Каземиров С.В. Процесс восстановления деградированной черноземной пашни через залежь // Землеустроительное и кадастровое обеспечение функционирования земельно-имущественного комплекса: мат. Междунар. науч.-практ. конф. ученых и специалистов /И.Ф. Медведев, С.В. Каземиров - Омск : изд-во ФГОУ ВПО ОмГАУ, 2005. - С. 326-328.

6. Каземиров С.В. Процесс реабилитации низко плодородных черноземных почв через залежь / Медведев И.Ф., Гусев В.А., Каземиров С.В., Климова Н.Ф. / Сб. докл. Межд. Науч.-практ конф. посвящ. 35 - летию ВНИИЗиЗПЭ и "Ресурсосбер. технол. земледелия" и Меж. школы молодых ученых" Персп. технол. современного с.-х. произв". - Курск,- 2005. - С. 510-513.

7. Каземиров С.В. Процессы деградации черноземных почв и продуктивность зерновых культур / Медведев И.Ф., Рябова И.И., Сайфуллина Л.Б., Каземиров С.В. / Мат. Межд. Науч. практ. конф. "Проблемы борьбы с засухой" Ставрополь, 2005. - С. 356-361.

8. Каземиров С.В. Изменение ботанического и химического состава растительности на пашне при ее длительном нахождении в залежном состоянии / Медведев И.Ф., Гусев В.А., Каземиров С.В., Любимова М.Н. / Ж. Кормопроизводство, №9, 2006. - С. 13-17.

Размещено на Allbest.ru

...