Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата сельскохозяйственных наук

Влияние минеральных удобрений на агрохимические свойства черноземных почв Поволжья

06.01.04. - агрохимия

Журавлев Дмитрий Юрьевич

Саратов 2008

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Саратовский государственный аграрный университет им.Н.И. Вавилова"

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Пронько Виктор Васильевич

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Гришин Геннадий Евгеньевич

кандидат сельскохозяйственных наук,

доцент Рябошкапов Владимир Федорович

Ведущая организация: Федеральное государственное научное учреждение "Волжский НИИ гидротехники и мелиорации" (ФГНУ ВолжНИИГиМ)

Защита состоится "21" ноября 2008 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д.220.061.05. при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова" по адресу: 410012, г. Саратов, Театральная пл.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГОУ ВПО "Саратовский ГАУ"

Автореферат разослан "18" октября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Н.А. Пронько

Общая характеристика работы

· Сельскохозяйственное использование черноземных почв сопровождается снижением содержания гумуса, валовых запасов питательных элементов, а также изменением физико - химических и биологических свойств.

· Интенсивное сельскохозяйственное использование черноземных почв приводит к формированию отрицательного баланса питательных веществ в почве.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов СГАУ (Саратов, 2005 - 2007), международных научных конференциях "Вавиловские чтения" (Саратов, 2005, 2006, 2007.), всероссийской научной конференции, посвященной 75-летию акад.Н.З. Милащенко (Краснодар, 2007), всероссийской научной конференции "Агрохимия и экология: история и современность" (Нижний Новгород, 2008), 3-ей межрегиональной конференции молодых ученых в ИБФРМ РАН (Саратов, 2006).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе две - в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.

Степень личного участия. Закладка почвенных разрезов, описание морфологических свойств почв, подавляющее большинство агрохимических анализов и расчеты баланса питательных веществ соискателем выполнены лично на кафедре агрохимии и почвоведения СГАУ. Нитрификационную способность почвы, содержание в ней тяжелых металлов и фракционный состав фосфатов определяли сотрудники лаборатории массовых анализов ГНУ НИИСХ Юго-Востока, которым автор выражает свою глубокую благодарность.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и предложений производству, списка цитируемой литературы. Содержание работы изложено на 112 страницах компьютерного текста, включая 24 таблицы и 3 рисунка. Список литературы включает 289 наименований, в том числе 13-иностранных авторов.

Содержание работы

УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для изучения поставленного вопроса в Правобережье Саратовской области закладывались почвенные разрезы по общепринятым методикам (методические указания Почвенного института им.В. В. Докучаева, 1977). Свойства чернозема типичного изучали на землепользовании ОАО "Знамя Победы" Аткарского района (с. Земляные хутора). На черноземе обыкновенном почвенные разрезы закладывали в ОПХ "Елизаветинское" Аткарского района (с. Елизаветино). Чернозем южный изучали в Экспериментальном хозяйстве ГНУ НИИСХ Юго-Востока. В этих хозяйствах в 1975-1990 гг. интенсивно применялись минеральные удобрения, что подтверждается тремя турами агрохимического обследования. На основании этих сведений определена сумма внесенных минеральных удобрений и сделаны расчеты на 1 га севооборотной площади. На полях, где применяли удобрения их поступление за указанные выше годы составило: на черноземе типичном (ОАО "Знамя Победы") - N48P22; на черноземе обыкновенном (ОПХ "Елизаветинское") - N40P18; на черноземе южном (Экспериментальное хозяйство) - N33P13 на 1 га севооборотной площади.

Почвенные разрезы закладывались на плакорно-равнинных элементах агроландшафта. Они располагались на ранее удобрявшейся и неудобренной почве, а также на целинных участках. Ареал распространения изучаемых подтипов черноземных почв охватывает 2 и 3-ю микрозоны Саратовской области, в которых черноземы типичные занимают доминирующее положение. Их агрохимическая характеристика приводится в основной части автореферата.

Черноземы типичные сформировались в подзоне луговых злаково-разнотравных степей. Продолжительность безморозного периода - 135-140 дней, сумма положительных температур выше 10° С - 2400° С, годовая норма осадков - 476 - 500 мм, в том числе за период с температурой воздуха выше 10° С - 237-253 мм.

Черноземы обыкновенные сформировались в подзоне злаково-разнотравных степей. Продолжительность безморозного периода - 140-145 дней, сумма положительных температур выше 10° С - 2400-2500° С, годовая норма осадков - 400-410 мм, в том числе за период с температурой воздуха выше 10° С - 200-210 мм.

Черноземы южные сформировались в подзоне злаковых степей. Продолжительность безморозного периода - 150-158 дней, сумма положительных температур выше 10° С - 2600-2700° С, годовая норма осадков - 375-390 мм, в том числе за период с температурой воздуха выше 10° С - 180-200 мм.

Агрохимические анализы выполняли по общепринятым методикам:

· содержание гумуса - по Тюрину в модификации ЦИНАО после предварительного отбора растительных остатков;

· фракционный состав гумуса - по Кононовой - Бельчиковой;

· общий азот, фосфор, калий - в одной навеске после мокрого озоления по Гинзбург - Щегловой;

· фракционный состав азота - по Шконде - Королевой;

· нитрификационная способность почвы - по Кравкову с 14-дневным компостированием;

· групповой состав минеральных фосфатов - по Чангу - Джексону;

· сумма поглощенных оснований - по Каппену - Гильковицу;

· кислотность почвы: рН _{водн. -} по Алямовскому, рН_{сол. -} с 1,0 н раствором KCl, Нг - с 1,0 н уксуснокислым натрием;

· буферная способность и окислительно - восстановительный потенциал (ОВП) почвы - потенциометрическим методом на рН-метре ЭВ-74;

· ферментативная активность почвы (уреаза, амилаза, инвертаза, пероксидаза, полифенолоксидаза, каталаза, протеаза, фосфатаза) - по методике, изложенной Т.А. Щербаковой (1978);

· труднорастворимые формы тяжелых металлов - в вытяжке HCl;

· статистическую обработку данных проводили по Б.А. Доспехову (1985);

· баланс элементов питания - устанавливался расчетным путем по приходу с удобрениями, семенами, атмосферными осадками и азотофиксацией свободноживущими микроорганизмами (для азота); расход - по выносу с урожаем сельскохозяйственных культур (на основе статистических данных по структуре посевных площадей и урожайности за 2000 - 2005 гг.) и газообразные потери азота на денитрификацию.

Результаты исследований

Гумус и его фракционный состав. Содержание гумуса в сельскохозяйственных угодьях заметно снизилось по сравнению с целинными участками. Самые высокие абсолютные потери гумуса отмечены у чернозема южного - 33% по отношению к целине (рис.1).

минеральное удобрение гумус черноземная почва

НСР_0,5 1,0*

Рис.1. Содержание гумуса (%) в черноземных почвах степного Поволжья (слой 0 - 20 см).

Довольно заметно уменьшились запасы гумуса у чернозема обыкновенного (на 25%), а у чернозема типичного убыль по сравнению с целиной не превысила 7%.

Таким образом, интенсивность минерализационных процессов усиливалась по нарастающей от черноземов типичных к южным. При этом, внесение минеральных удобрений в указанных выше дозах не оказало заметного влияния на запасы гумуса.

В составе гумуса черноземов, как известно, гуминовые кислоты преобладают над фульвокислотами. В почве целинных участков больше всего гуминовых кислот обнаружено у чернозема обыкновенного (как в абсолютных, так и относительных показателях), а минимальное их количество отмечено у чернозема южного (табл.1).

Таблица 1. Фракционный состав гумуса черноземных почв (% органического углерода)

Сельскохозяйственное использование черноземов без минеральных удобрений привело к снижению доли гуминовых кислот по сравнению с целиной, прежде всего в верхнем (пахотном) слое, а у чернозема обыкновенного эта тенденция отмечена и в подпахотном горизонте.

Самое высокое содержание фульвокислот в почве целинных участков наблюдалось на черноземе обыкновенном, минимальное - на черноземе южном.

В пахотном и подпахотном слоях неудобрявшихся участков, расположенных на черноземах обыкновенном и южном, доля фульвокислот (в % от общей суммы) заметно возросла, что свидетельствует об усилении подвижности гумусовых веществ. Минеральные удобрения способствовали более активному накоплению фульвокислот и изменению соотношения Сгк: Сфк.

Нерастворимых гуминов больше всего обнаружено на целинном участке чернозема обыкновенного, а минимальное их содержание отмечено у чернозема южного. На пашне содержание гуминов у этих почв заметно снизилось, а у чернозема типичного заметных сдвигов практически не произошло. Самое высокое отношение Гк: Фк получено на черноземе типичном (целина и пашня), а минимальным оно оказалось на неудобренной пашне чернозема южного.

Содержание азота. Максимальное его количество зафиксировано на целинном участке чернозема типичного. У чернозема южного на целине азота практически в два раза меньше (рис.2).

НСР_0,5 587,6*

Рис.2. Содержание валового азота (мг/кг) в черноземах степного Поволжья (слой 0 - 20 см).

В процессе сельскохозяйственного освоения неудобрявшиеся черноземные почвы потеряли часть запасов этого элемента. Наиболее ощутимыми они оказались для черноземов типичного (20% от показателя целинной почвы) и южного (14%). Внесение минеральных удобрений не привело к накоплению валовых запасов азота.

Сельскохозяйственное использование черноземов заметно изменило также их азотный фонд.

По сравнению с целиной в 1,5 и более раз уменьшилось содержание легкогидролизуемого азота, который является ближайшим резервом питания растений.

Одновременно на черноземах типичном и южном снизились запасы трудногидролизуемых и негидролизуемых форм азота. На черноземе обыкновенном такой закономерности не обнаружено (табл.2).

Таблица 2. Фракционный состав гидролизуемых форм азота в черноземах степного Поволжья в слое 0 - 20 см

Минеральные удобрения, вносимые на всех подтипах черноземных почв по сравнению с неудобренными участками увеличили содержание минерального и легкогидролизуемого азота и несколько снизили количество негидролизуемых форм.

Определение нитрификационной способности почвы показало, что на пашне, как удобренной, так и неудобренной она была выше, чем на целине. Коэффициент нитрификационной способности чернозема типичного на неудобренной пашне составил 2,40 против 0,89 на целине, чернозема обыкновенного - 4,50 против 2,10 на целине, чернозема южного эти показатели составили соответственно 1,40 и 1,00.

Следовательно, самой высокой нитрификационной способностью из трех подтипов почв обладали черноземы обыкновенные. На неудобренной пашне эти показатели были несколько выше.

Содержание фосфора. Сельскохозяйственное использование черноземных почв степного Поволжья без удобрений привело к некоторому снижению валовых запасов фосфора по сравнению с целиной (рис.3).

НСР_0,5 0,020*

Рис. 3. Содержание валового фосфора (%) в черноземных почвах степной зоны Поволжья (слой 0 - 20 см).

Произошло это в большей степени за счет минерализации органических соединений фосфора. Применение удобрений незначительно сказалось на содержании валовых форм фосфора.

Помимо общих запасов на неудобренной пашне изменился и фракционный состав минеральных фосфатов. На черноземах типичном и южном в условиях постоянных обработок верхнего слоя возросла доля наиболее подвижных фосфатов I и II групп. На черноземе обыкновенном произошло одновременное накопление подвижных и труднодоступных минеральных фосфатов IV группы. Это обусловлено во многом изменениями реакции почвенного раствора на данном подтипе почвы (табл.3).

Таблица 3. Фракционный состав минеральных фосфатов черноземных почв в слое 0 - 20 см (% от суммы)

Следует также отметить, что сумма фосфатов III и IV групп на обрабатываемых участках черноземов обыкновенного и южного имеет тенденцию к накоплению. В то же время на черноземе типичном запасы фосфатов этих групп на целине и пашне остались практически на одном уровне.

В целом содержание рыхлосвязанных фосфатов и фосфатов, связанных с кальцием и алюминием выросло на неудобрявшейся пашне более чем в 1,5 раза по сравнению с целинными участками.

Систематическое внесение минеральных удобрений усилило направленность данного процесса.

Содержание калия. Самые высокие запасы этого элемента отмечены на черноземе южном, а наименьшие - на черноземе типичном (табл.4). Чернозем обыкновенный по запасам калия занимает между ними промежуточное положение.

Таблица 4. Валовые запасы калия в черноземах степного Поволжья в слое 0 - 40 см, % на абсолютно сухую почву

Сельскохозяйственное использование черноземных почв мало сказалось на содержании общего калия. Можно лишь говорить о некоторой тенденции к уменьшению его запасов как на неудобренной, так и удобренной пашне по сравнению с целиной на черноземах типичных и южных.

Содержание тяжелых металлов. Наблюдения за содержанием труднорастворимых форм цинка, меди, свинца, кадмия, никеля, мышьяка и ртути показали, что на пашне за период ее сельскохозяйственного использования (по сравнению с целиной) никаких изменений в концентрации тяжелых металлов не произошло. Только лишь в образцах, взятых на пашне в ОПХ "Елизаветинское" содержание в слое почвы 0-20 см мышьяка составило 4,2 мг/кг, что незначительно превысило фоновый показатель на целине (2,3 мг/кг), хотя он был очень далек от максимально допустимого уровня (МДУ). Вызвано это различием подстилающих пород на изучаемых подтипах черноземных почв.

Ферментативная активность. Были выявлены определенные различия в деятельности почвенных ферментов на целинных и обрабатываемых участках черноземных почв (табл.5).

Таблица 5. Ферментативная активность черноземных почв Поволжья в слое 0-20 см

Примечание: каталаза - мл 0,1 н KMnO₄ на 1 г почвы за 20 минут; К - коэффициент, который показывает соотношение (%) активности полифенолоксидазы к пероксидазе и говорит о сложившейся в почве тенденции, связанной с синтезом или минерализацией органических веществ; инвертаза - мг глюкозы на 1 г почвы за 4 часа; амилаза - мг мальтозы на 1 г почвы за 24 часа; уреаза - мг N - NH₄ на 1 г почвы за 4 часа; фосфатаза - мг P на 5 г почвы за 24 часа; протеаза - мг аминного азота на 10 г почвы за 20 часов;

Активность фермента каталазы на всех изучаемых подтипах почв была выше на целине, а на удобренной пашне она заметно снижалась. Аналогичным образом проявилась и активность фермента протеазы. В то же время постоянные обработки почв оказали стимулирующее влияние на деятельность ферментов инвертазы, амилазы и уреазы.

Изменение характера использования почв практически не сказалось на активности фосфатазы.

Определение соотношения между ферментами полифенолоксидаза: пероксидаза (К, %) показало, что на целинных участках преобладает активность ферментов, участвующих в минерализационных процессах (К<100).

Деятельность многих ферментов зависит от гидротермических условий почвенных подзон. Так, активность протеазы, уреазы и амилазы усиливалась в направлении от чернозема южного к типичному, а каталазы (и отчасти инвертазы) - в обратном направлении.

Минеральные удобрения активизировали деятельность ферментов инвертазы, амилазы и уреазы на всех изучаемых подтипах почв.

Физико-химические свойства. В зональном аспекте отмечены изменения в сумме обменно-поглощенных оснований на целине и пашне. На черноземе типичном в слое 0 - 40 см сумма обменно-поглощенных оснований на неудобренной пашне снизилась на 3 мг-экв. /100 г почвы по отношению к целине за счет убыли Са²⁺ и Mg²⁺, а на удобренной - 3,5 мг-экв. /100 г. На черноземе обыкновенном сумма обменно-поглощенных оснований на неудобренной пашне возросла на 10 мг-экв. /100 г почвы в сравнении с целиной в результате обогащения 0 - 40 см слоя кальцием. На черноземе южном сумма практически не изменилась, но при этом отмечено изменение соотношение Са²⁺ к Mg²⁺ как в удобренной, так и неудобренной почве: доля магния несколько увеличилась.

Имея высокую степень насыщенности почвы основаниями (90,6 - 97,7 %), рассматриваемые подтипы черноземов имеют близкую к нейтральной рН водной вытяжки, как на целине, так и на пашне (табл.6). При этом систематическое внесение азотно-фосфорных удобрений не повлияло на все виды кислотности почв.

Таблица 6. Кислотность черноземных почв степной зоны Поволжья в слое 0-40 см

В то же время на черноземе обыкновенном отмечено некоторое увеличение обменной и гидролитической кислотности как на удобренной, так и неудобренной пашне, что обусловлено отчуждением из ППК катионов кальция.

На черноземе типичном, наоборот, отмечена тенденция к повышению обменной и гидролитической кислотности на пашне. У чернозема южного никаких заметных изменений в кислотности сельскохозяйственных угодий не произошло.

Определение буферной емкости исследуемых почв показало, что целинный участок чернозема типичного способен лучше противостоять подкислению, а обрабатываемый - подщелачиванию. На черноземе обыкновенном, наоборот, пашня способна лучше противостоять подкислению, а целинный участок - подщелачиванию. На пашне чернозема южного отмечено некоторое снижение буферной емкости по сравнению с целиной.

Определение окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) позволило установить, что самым высоким (482 мв) он был на обрабатываемом черноземе типичном и превышал показатель для целинного участка на 45 мв. Минимальным ОВП оказался на черноземе южном, где не было зафиксировано каких-либо различий между пашней и целиной. Минеральные удобрения на показатель ОВП никакого влияние не оказали.

Баланс элементов питания. Имея в своем распоряжении материал о масштабах трансформации агрохимических свойств и размерах выноса элементов питания мы сочли необходимым в заключительной части работы определить размеры ежегодные потери гумуса и питательных веществ на сельскохозяйственных угодьях, выяснить возможности для восстановления исходных запасов гумуса, предложить на основе наших данных дозы удобрений для поддержания оптимального баланса питательных веществ на черноземах типичном, обыкновенном и южном.

Было установлено, что по отношению к целинным участкам самые высокие потери гумуса в слое 0 - 40 см отмечены на черноземе обыкновенном (83,1 т/га), а минимальные (12,9 т/га) - на черноземе типичном. Для восстановления запасов гумуса на уровне целинных участков необходимо внести навоза крупного рогатого скота (с учетом коэффициента гумификации равном 0,18) от 71 (чернозем типичный) до 462 т/га (чернозем обыкновенный), что представляется маловероятной задачей.

Расчеты также показали, что на всех подтипах черноземных почв за последние годы (2000-2005 гг.) баланс гумуса сложился отрицательный (табл.7).

Отрицательному балансу гумуса сопутствует отрицательный баланс питательных веществ. На изучаемых подтипах черноземов он складывался с большим дефицитом (табл.8). При существующей в указанных районах структуре посевных площадей, где преобладают зерновые культуры и урожаях зерна в 1,5-2,2 т/га возмещение выноса азота составляло от 49,1% (чернозем южный) до 37,5% (чернозем обыкновенный). Возмещение выноса фосфора и калия составило соответственно 21,7-16,0% и 5,8-4,2%.

Таблица 7. Баланс гумуса на почвах черноземной степи Саратовского Правобережья, т/га

Примечание: ПКО-пожнивно-корневые остатки сельскохозяйственных культур

Таблица 8. Баланс питательных веществ в черноземных почвах Саратовской области (по данным за 2000 - 2005 гг.), кг/га

На основании этих исходных данных нами были определены расчетным путем дозы минеральных удобрений, необходимые для поддержания оптимального баланса элементов питания (табл.9).

Таблица 9. Дозы удобрений для поддержания оптимального баланса элементов питания, кг на 1 га севооборотной площади

Выводы

Для поддержания оптимального баланса питательных веществ (уровень возврата азота - 85%, фосфора - 110 - 135%, калия - 20%) необходимо вносить на черноземах Правобережья Саратовской области: на черноземах типичных - N35,7Р10,5 - 18,8К10,2 на 1 га севооборотной площади; на черноземах обыкновенных - N29,4Р10,1 - 17,6К9,1 на 1 га севооборотной площади; на черноземах южных - N23,9Р9,2 - 16,5К9,6 на 1 га севооборотной площади.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Соловов Д.П. Влияние биопрепаратов на биометрические показатели растений и ферментативную активность почвы / Д.П. Соловов, Н.А. Монина, О.Б. Каменева, Г.К. Соловова, Д.Ю. Журавлев // Селекция, технология возделывания и использования сорговых и других кормовых культур: Сб. науч. трудов. Саратов, 2006, С.164 - 169.

2. Журавлев Д.Ю. Бактериальные удобрения и ферментативная активность почвы / Д.Ю. Журавлев // Итоги научно-исследовательской работы студентов и аспирантов Саратовского государственного аграрного университета за 2005 год, Саратов, 2006, ч.2, С.26 - 28.

3. Журавлев Д.Ю. Изменение агрохимических свойств черноземных почв Поволжья в процессе сельскохозяйственного использования / Д.Ю. Журавлев // Вавиловские чтения - 2006: Материалы Всероссийской научно-практической конференции Саратов, 2006, С.32 - 34.

4. Пронько В.В. Изменения плодородия черноземных почв Поволжья и роль минеральных удобрений в повышении их продуктивности / В.В. Пронько, Д.Ю. Журавлев, Н.Ф. Климова // Вестник Саратовского госагроуниверситета им Н.И. Вавилова, 2007, №5, С.77 - 79.

5. Журавлев Д.Ю. Трансформация агрохимических свойств черноземов Поволжья / Д.Ю. Журавлев, В.В. Пронько // Энтузиасты аграрной науки: Труды КубГАУ. Краснодар, 2007, - вып.6, С.159 - 162.

6. Журавлев Д.Ю. Агрохимические и физико-химические свойства целинных и обрабатываемых почв Поволжья / Д.Ю. Журавлев, В.В. Пронько // Агрохимия и экология: история и современность: Материалы международной научной конференции. Нижний Новгород, 2008, - т.3, С.27 - 30.

Размещено на Allbest.ru