Введение
Актуальность темы. Одной из основных и наиболее урожайных технических культур, в Центрально - Черноземной Зоне, является сахарная свекла, из которой вырабатывается сахар. При её выращивании на плодородие почвы оказывается непосредственное воздействие за счет внесения удобрений (при урожае 30 - 40 тонн корнеплодов она выносит из почвы азота 120 - 200 кг, фосфора 45 - 60 кг, калия 150 - 240 кг с 1 га).
Посевные площади сахарной свеклы по сравнению с 1986 - 1990 гг. в нашей стране сократились в 1,5 раза, заготовки снизились с 28,7 до 12,0 млн. т, или в 2,4 раза, а производство сахара упало с 2,8 до 1,3 млн. т, или более чем в 2 раза (СИ. Полевщиков, 2002).
Потенциал сахарной свеклы огромен. Как показывают научные исследования и практика, в основных свеклосеющих регионах России практически во все годы можно получать 35-45 т/га корнеплодов или 4,5 — 6,0 т сахара (Г.Я. Сергеев, 1995). Однако уровень свеклосахарного производства не в полной мере соответствует потенциальной возможности этой культуры.
Сахарная свекла - важнейшая техническая культура, имеющая большое народнохозяйственное значение в ЦЧР. В связи с тем, что земельные ресурсы для размещения посевов этой культуры весьма ограничены, основным путём увеличения валовых сборов её в Черноземье является: рост урожайности, повышение технологических качеств корнеплодов на основе интенсификации, рациональное применение удобрений, максимальное использование питательных веществ почвы, биоклиматический потенциал и биологические особенности сортов свеклы.
Изучение агрохимических свойств почв на различных уровнях обеспеченности основными элементами питания позволит решить задачу правильного использования удобрений и повышения их эффективности (В.Т. Рымарь, СВ. Мухина, 2004).
За годы интенсивной химизации сельского хозяйства (1975 - 1990 гг.) в нашей стране было улучшено состояние плодородия почв, повысилась величи-
6
на рН их и снизилась гидролитическая кислотность. В это время было налажено производство промышленных известковых удобрений, разработаны требования к их качеству, резко возросли объёмы работ по известкованию почв. В 1988 году сельскому хозяйству поставлено максимальное количество известковых удобрений (около 44 млн. т в физическом весе). Примерно пятая часть их представлена нетрадиционными химическими мелиорантами. За 10 лет (с 1977 по 1987 годы) площадь пахотных сильнокислых почв уменьшилась на 2,8 млн. га, а среднекислых - на 0,8 млн.га. Площади почв слабокислых и близких к нейтральным возросли на 8,8 млн. га (М.А. Кузмич, 2004).
Однако в последние годы в результате субъективных и объективных причин по результатам агрохимического обследования пахотных земель площадь кислых почв с рН < 5,5 в РФ составляет около 40 млн. га, или более 30% обследованных площадей, в том числе сильнокислых (рН < 4,5) более 3 млн. га. В ряде субъектов РФ удельный вес кислых почв превышает 70%, а в 21 - 50%.
При сохранении объёмов известкования на нынешнем уровне неизбежно дальнейшее ухудшение параметров плодородия почв, снижение эффективности применения минеральных удобрений и падение производства продуктов земледелия (В.В. Окорков, 2004).
В связи с этим, исследования по изучению влияния удобрений при длительном их применении в севообороте на формирование продуктивности сахарной свёклы, физико-химических и агрохимических свойств почвы, является актуальными.
Целью работы: установить влияние длительного применения различных форм и доз удобрений в зерносвекловичном севообороте на рост и развитие сахарной свёклы, повышение урожайности и сахаристости корнеплодов, а также на физико-химические свойства чернозёма выщелоченного и накопление в нём гумуса.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
• определить влияние видов и доз удобрений на рост и развитие сахарной свёклы;
7
• определить взаимосвязь длительного применения навоза и минеральных удобрений на продуктивность сахарной свёклы;
• выявить закономерность изменения актуальной, обменной, гидролитической кислотности, обменных катионов и буферности почвы при длительном применении удобрений в севообороте;
• установить динамику элементов питания чернозёма выщелоченного при длительном применении удобрений;
• рассчитать экономическую и энергетическую эффективность длительного применения удобрений под сахарную свёклу на чернозёме выщелоченном в условиях ЦЧР.
Научная новизна заключается в системной оценке физико-химических изменений, произошедших в чернозёме выщелоченном в результате длительного применения различных доз удобрений под сахарную свёклу в зерносвекло-вичном севообороте за 8 ротаций.
Установлено влияние длительного применения удобрений на рост и развитие сахарной свёклы, буферность почвы, а также содержание в ней гумуса и питательных элементов. Выявлено влияние физико-химических свойств чернозёма выщелоченного на продуктивность корнеплодов.
Дана экономическая и энергетическая оценка применения удобрений под сахарную свёклу на чернозёме выщелоченном в условиях ЦЧР.
Защищаемые положения:
1. Длительное внесение удобрений на чернозёме выщелоченном приводит к изменению его физико-химических свойств.
2. Применение минеральных удобрений в дозе N45P60K45 кг/га и навоза 50 т/га в севообороте позволяет повысить буферность почвы и стабилизировать в ней содержание гумуса.
3. Длительное применение удобрений в севообороте положительно влияет на рост и развитие растений сахарной свёклы, а также на формирование её продуктивности.
8
Практическая ценность работы. Результаты исследований имеют практическое значение для оптимизации питания сахарной свёклы, обеспечивающее повышение продуктивности других культур в зерносвекловичном севообороте и сохранения плодородия почвы.
Выявленные оптимальные дозы удобрений под сахарную свёклу, способствуют улучшению физико-химических и агрохимических свойств почвы.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 работ: в сборнике «Научные и практические основы сохранения плодородия почв, земель сельскохозяйственного назначения в адаптивно-ландшафтном земледелии» [Материалы Международной научно-практической конференции], г. Белгород, ГНУ БелНИИСХ, 2004; в сборнике «Чернозёмы центральной России: генезис, география, эволюция» [Материалы Международной конференции], г. Воронеж, ВГУ, 2004; в сборнике «Применение средств химизации - основы повышения продуктивности сельскохозяйственных культур и сохранение плодородия почв» [Материалы Международной научно-практической конференции], г. Москва, ВНИИА, 2004; в сборнике «Вклад молодых учёных в решение проблем аграрной науки» [Материалы Международной научно-практической конференции], г. Воронеж, ВГАУ, 2005; в сборнике «Агроэкологическая эффективность применения средств химизации в современных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур» [Материалы Международной научной конференции], г. Москва, ВНИИА, 2005; в журнале Сахарная свёкла № 9, 2005 год.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены и обсуждены на заседаниях учёных советов ГНУ ВНИИСС им. А.Л. Мазлумова (2003-2005 гг.); на Международной научно-практической конференции «Научные и практические основы сохранения плодородия почв, земель сельскохозяйственного назначения в адаптивно-ландшафтном земледелии» (г. Белгород, ГНУ БелНИИСХ, 2004); на Международной конференции «Чернозёмы центральной России: генезис, география, эволюция» (г. Воронеж, ВГУ, 2004).
9
Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 199 страницах компьютерного текста. Состоит из введения, 8 глав, выводов, предложений производству, списка использованной литературы и приложений. Содержит 3 рисунка, 33 таблицы, 33 приложения. Список использованной литературы включает 226 наименований, в том числе 14 иностранных.
10
Глава 1. Обзор литературы
1.1 Физико-химические свойства почвы
Физико-химические свойства почв Центрального Черноземья изучены и представлены в работах П.Г. Адерихина (1960, 1963), Е.П. Тиховой (1963), Б.П. Ахтырцева (1979, 1993), Д.И. Щеглова (1999), А.Б. Ахтырцева (1993) и других ученых (Н.А. Протасова, А.П. Щербаков, 2003).
Физико-химические свойства почв, помимо непосредственного действия на урожай растений, оказывают значительное влияние на питательный режим почв, их гумусное состояние, биологическую активность, обусловливают характер превращения внесенных в почву удобрений в пахотном горизонте, а в условиях промывного водного режима определяют подвижность коллоидной фракции и возможность передвижения её в более глубокие слои почвы, косвенно влияют на физические свойства (В.И. Савич, 1989; Р.Ф. Байбеков, 2003).
К физико-химическим свойствам почвы относятся: разные формы кислотности, сумма поглощенных оснований (S), степень насыщенности почв основаниями (V), ёмкость поглощения (Т) и буферность почвы.
Повышенная кислотность - одна из важнейших причин низкого плодородия почв и недостаточной эффективности удобрений. При повышении кислотности может ухудшаться структура почвы, её физико-химические, агрофизические и другие свойства, увеличивается количество токсичных для растений веществ, легкорастворимые формы фосфора переходят в труднодоступные фосфаты, легче образуются токсические соединения нитратов и нитритов. Всё это создаёт неблагоприятные условия для жизни растений (В.А. Ковда, 1981; В.Н. Ефимов, И.Н. Донских, Г.И. Синицын, 1984; В.Г. Минеев, Б. Дебрецени, Т. Ма-зур, 1993).
Кислотность почв проявляется в разных формах. В настоящее время различают следующие формы и виды почвенной кислотности: 1) актуальная кислотность (рНН2о); 2) потенциальная кислотность, которая подразделяется на обменную (рНксО и гидролитическую (Нг).
11
Потенциальная кислотность проявляется в результате взаимодействия почвы с растворами солей или оснований. Она влияет и на уровень актуальной кислотности, но точные функциональные зависимости, позволяющие по потенциальной кислотности вычислить актуальную, не установлены. В большинстве случаев выявляется прямая (но не прямо пропорциональная) зависимость: чем больше потенциальная кислотность, тем выше кислотность актуальная.
Ненасыщенность почв основаниями и соответственно наличие потенциальной кислотности впервые, видимо, обнаружил французский учёный П. Мон-дезир (1889), заметивший, что кислые почвы больше поглощают катионов из нейтральных солей, чем отдают в растворы оснований (Д.С. Орлов, 1992).
Изучение кислотности почвы чернозёмов ЦЧР, проведённое Е.А. Бровки-ной (1967, 1976) показало, что основной формой потенциальной кислотности чернозёмных почв является гидролитическая кислотность. И.А. Шильников, (1976) указывает, что на чернозёмах выщелоченных существует тесная связь между рН солевой вытяжки и гидролитической кислотностью.
Не всегда при большой абсолютной величине гидролитической кислотности почва сильно нуждается в известковании. Часто при большей абсолютной величине гидролитической кислотности относительное её (т.е. ионов водорода) содержание в поглощающем комплексе значительно меньше, чем в почве с меньшей абсолютной величиной кислотности. Может наблюдаться и такой случай, когда абсолютные величины гидролитической кислотности ряда почв близки между собой и, казалось бы, эти почвы нуждаются в известковании в одинаковой степени. Однако если учесть степень насыщенности их основаниями, может оказаться, что потребность почв в извести различна (А.С. Радов, И.В. Пустовой, А.В. Корольков, 1985).
Чернозёмы тяжелого гранулометрического состава характеризуются высокой ёмкостью катионного обмена, достигающей в верхнем горизонте пахотных почв в среднем 50,3 мг-экв /100 г почвы. Степень насыщенности основаниями более 90%, в нижележащих слоях почвенного профиля достигает 100%. Среди обменных катионов преобладают ионы Са (80%). На долю Mg приходится в
12
средним около 15%. Небольшую долю в составе обменных катионов составляет поглощенный Н+ гидролитической кислотности. Его количество колеблется в среднем от 2,3 у обыкновенных до 4,2 мг-экв/100 г почвы у оподзоленных чернозёмов.
Общей закономерностью поведения карбонатов в профиле чернозёмов является почти равномерное распределение их в верхней части гумусового слоя, затем резкое возрастание их содержания на границе карбонатно-иллювиального горизонта и вновь относительно равномерное распределение в карбонатной толще. По данным Д.И. Щеглова (1999), карбонатный профиль выщелоченного чернозёма характеризуется максимальной толщей горизонта выщелачивания (120 - 130 см) и относительно сглаженным характером распределения СО2 карбонатов в карбонатной толще (Д.И. Щеглов, 1999; Н.А. Протасова, А.П. Щербаков, 2003).
Реакция почвенного раствора не является постоянной. В результате биологических, химических и физико-химических процессов в почве образуются кислоты или основания, и происходит изменение его реакции. Выделение углекислоты, образование азотной кислоты при нитрификации и других кислых продуктов в процессе жизнедеятельности микроорганизмов приводит к подкисле-нию почвенного раствора.
Реакция почвы изменяется и под влиянием вносимых в почву удобрений. Так, при внесении физиологически кислых солей [NH4CI, (NH4)2SO4 и др.] почвенный раствор подкисляется, а при использовании физиологически щелочных [NaNC>3, Са(МОз)2] происходит нейтрализация кислотности или подщелачива-ние почвенного раствора. При систематическом внесении физиологически кислых или физиологически щелочных удобрений реакция почвенного раствора может сильно изменяться и оказывать влияние на развитие культурных растений и почвенных микроорганизмов.
Однако изменение реакции под действием указанных факторов на разных почвах будет неодинаковым: на одних меньше, на других большим. Способность почвы противостоять изменению реакции почвенного раствора в кислую
13
или щелочную сторону называется буферной способностью почвы. Буферность почвы в целом зависит от буферных свойств её твёрдой и жидкой фаз. Буферная способность почвенного раствора обусловливается содержащимися в ней слабыми кислотами (Н2СО3, водорастворимые органические кислоты) и их солями.
Буферная способность зависит не только от состава почвенного раствора, но и от свойств твёрдой фазы почвы. Роль буферности почвенного раствора в общей буферной способности почвы обычно невелика. Более сильным фактором буферного действия является твёрдая фаза почвы, главным образом её коллоидная часть. Буферная способность почвы в основном зависит от содержания и состава обменных катионов в почвенном поглощающем комплексе. Ёмкость поглощения и степень насыщенности почв основаниями определяют её буферную способность. Чем больше ёмкость поглощения почвы, тем выше её буферность.
Поглощенные основания (Са2+, Mg2+ и др.) оказывают буферное действие против подкисления, а поглощенный водород - против подщелачивания реакции почвенного раствора.
Чем больше гидролитическая кислотность почвы, тем выше буферность её против подщелачивания.
Чем больше степень насыщенности почвы основаниями и больше общая ёмкость поглощения, тем сильнее она противостоит подкислению. Ослабляют подкисление почвенного раствора также карбонаты (СаСО3 и MgCC^), так как они нейтрализуют кислоту с образованием бикарбонатов. Поэтому почвы, насыщенные основаниями (чернозёмы и особенно карбонатные почвы), обладают очень высокой буферностью против подкисления (Б.А. Ягодина, 1982).
В последние два десятилетия в зоне распространения чернозёмных почти повсеместно отмечают подкисление среды не только в оподзоленных и выщелоченных, но и в типичных и даже обыкновенных чернозёмах (Т.Б. Лебедева, 1991; Г.Е. Гришин, 1995; И.А. Шильников, Н.П. Богомазов, А.В. Ивойлов, 1998).
14
Под влиянием атмосферных осадков и интенсивного применения удобрений за последние годы уменьшается содержание кальция и магния; они заменяются водородом.
1.2 Влияние удобрений на физико-химические свойства почвы
Кислотность почв растёт вследствие выпадения кислых атмосферных осадков (серная, соляная, азотная и угольная кислоты) и кислотного характера большинства удобрений (В.А. Ковда, 1981; 1986).
Систематическое применение минеральных удобрений приводит к глубоким изменениям физико-химических свойств даже высокобуферных чернозёмов (Н.С. Авдонин, 1972; 1980; В.И. Кураков, 1992; 1994; Л.А. Лебедева, 1974; Н.Г. Мязин, 1994 и др.).
Длительное применение высоких доз минеральных удобрений ухудшает показатели величины рН водной и солевой вытяжки, гидролитической кислотности, степени насыщенности. Это свидетельствует, прежде всего, о дефиците кальция в почве, являющегося фактором, лимитирующим получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур (Н.Г. Мязин, 1998).
По данным Милащенко Н.З. (1998), систематическое применение удобрений на чернозёмах сопровождается заметным их подкислением, возрастающим по мере увеличения доз удобрений и продолжительности опыта. В чернозёмах с нестабильным водным режимом подкисление может достигать значительных размеров, но наблюдается только верхних слоях почвенного профиля. ^
При длительном применении навоза в почве снижается количество обменного водорода и алюминия, увеличивается сумма поглощенных оснований (Ю.К.Кудзин, 1966).
Подкисление в верхних горизонтах чернозёмов может наблюдаться и при систематическом внесении навоза. По-видимому, это является следствием нитрификации, приводящей к образованию свободной азотной кислоты. Наиболее уязвимыми к подкислению являются чернозёмы оподзоленные и выщелоченные, имеющие повышенную гидролитическую кислотность (А.Я. Гетманец, Ю.К. Кудзин и др., 1973).
15
По данным Н.Г. Мязина, Т.Н. Парахневич (1998), содержание поглощенного Са2+ в слое 0 - 20 см чернозёма выщелоченного составляет 25,7 - 38,2 мг-экв/100 г почвы, поглощённого Mg2+ - 4,5 - 10,6 мг-экв/100 г почвы, степень насыщенности почв основаниями — 84,7 — 89,1%. Те же авторы отмечают, что высокие дозы удобрений снижают содержание обменного кальция при резком увеличении величины гидролитической кислотности, при этом снижается насыщенность почв основаниями. Внесение умеренных доз минеральных удобрений на фоне 50 т/га навоза способствовало повышению содержания обменного кальция на 6,2 мг-экв/100 г почвы (В.И. Кураков, 1992).
В.Г. Минеев, Е.Х. Ремпе (1990), также отмечают влияние длительного применения минеральных удобрений на уменьшение суммы поглощенных оснований и степени насыщенности ППК.
Существенные изменения, происходящие в ППК, приводят, в частности, к ухудшению показателей кислотности. Эти неблагоприятные изменения отмечаются в чернозёме, как в стационарных опытах, так и в производственных условиях Площади кислых почв в ЦЧР увеличиваются ежегодно на 0,6%, что подтверждается агрохимическими обследованиями (Ю.И. Столповский, 2004).
По данным Н.П. Богомазова (1994), на безнавозном фоне подкисление в интенсивном зерносвекловичном севообороте от минеральных удобрений достигает 0,07 - 0,15 единиц рН, на фоне навоза - 0,06 - 0,10. Известковые удобрения оказывают существенное влияние на снижение величины гидролитической кислотности, при этом повышалась сумма поглощенных оснований, степени насыщенности основаниями, содержание водорастворимого и обменного кальция.
Внесение минеральных удобрений способствовало обогащению почвы питательными веществами: внесение N460P730K160 кг/га + 60 т/га навоза за 25 лет существенно увеличило содержание Р и К до глубины 80 см, содержание Са, Mg и Na оставалось стабильным. Следует отметить, что в данном случае происходит незначительное подкисление почвы, а также наблюдается некоторая тенденция к уменьшению содержания кальция в пахотном слое.
16
Таким образом, все дозы минерального удобрения способствовали увеличению плодородия чернозёма выщелоченного. Внесение недостаточной дозы органического удобрения на фоне минерального привело к появлению тенденции к подкислению почвы. Поэтому внесение минеральных удобрений необходимо сочетать с внесением достаточных доз органического удобрения, которое позволит не только сохранить уровень плодородия почвы, но и увеличить его.
Т.М. Парахневич (2001), проводила исследования на стационарном опыте ВГАУ в 1996 — 1999 гг. на чернозёме выщелоченном среднемощном малогу-мусном тяжелосуглинистом в севообороте.
Результаты исследований физико-химических свойств чернозёма выщелоченного показали, что на контрольных вариантах опыта в системе пар - сахарная свёкла сумма обменных оснований составляет 27,48 - 27,61 мг-экв/100 г почвы, гидролитическая кислотность - 4,85 - 5,34 мг-экв/100 г почвы, а величина рНш - 5,16 - 4,99.
Следует отметить, что на всех вариантах опыта по сахарной свёкле величина гидролитической кислотности выше, чем в почве парового поля. На фоновых вариантах существенных изменений суммы поглощенных оснований, обменного кальция, величины рН солевой вытяжки и гидролитической кислотности не происходит. Одинарная доза минеральных удобрений заметно снижает содержание в почве отмеченных выше первых трёх показателей и повышает гидролитическую кислотность. Применение двойной дозы NPK приводит к увеличению гидролитической кислотности до 6,34 - 6,59 мг-экв/100 г почвы, одновременно наблюдается снижение обменного кальция до 21,71 - 21,88 мг-экв/100 г почвы и величины рНКС1 - до 4,87 - 4,76.
На основании этих исследований можно отметить, что минеральные удобрения, даже на фоне навоза, приводят к подкислению почвы. Поэтому.если в севообороте выращивается сахарная свёкла, то для поддержания оптимальных величин степени насыщенности основаниями и реакции почвенного раствора кальцийсодержащие мелиоранты необходимо вносить один раз за ротацию севооборота.
17
Установлено, что длительное применение удобрений в повышенных дозах (особенно азотных) снижает величину pHKCi, существенно повышает гидролитическую кислотность и уменьшает насыщенность почв основаниями.
На чернозёмных почвах наблюдается ухудшение показателей почвенной кислотности под действием систематического внесения минеральных удобрений. Причём неблагоприятные изменения в чернозёмах регистрируются не только в условиях длительных стационарных опытов, но и в производственных условиях. Интенсификация земледелия резко усилила направленность почвенных процессов на чернозёмах в сторону подкисления, отчуждения кальция из пахотного слоя. Это подтверждается результатами агрохимического обследова- ния. Так, по данным А.П. Щербакова с соавторами (1996) четко выраженная тенденция к подкислению пахотного слоя чернозёмов отражается в темпах приращения площадей кислых почв в ЦЧР на 0,6% в год.
В настоящее время при экстенсивном ведении сельскохозяйственного производства, наряду с дефицитом фосфора и прогрессирующими потерями гумуса, в чернозёмных почвах ЦЧР наблюдается резкое повышение кислотности. Хрупкое динамическое равновесие зрелой почвы может быть нарушено при использовании её человеком для сельскохозяйственных целей. При этом часто происходит разрушение почвенной структуры, истощение запасов питательных веществ и эрозия почв (Н. Грин, У. Стаут, Д. Тейлор, 1993).
1.3 Влияние длительного применения удобрений на плодородие
почвы, продуктивность и качество продукции сахарной свеклы
в зерносвекловичном севообороте
Одним из важнейших современных факторов обеспечения расширенного воспроизводства плодородия почв является научно обоснованная химизация земледелия, и прежде всего рациональное применение органических и минеральных удобрений. Внесение удобрений в почву - радикальный способ улучшения баланса веществ в земледелии. Удобрения входят в тесное соприкосновение с почвой, видоизменяются. Эти видоизменения и превращения зависят как от свойств почв, так и от свойств удобрений. |
