4 ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследований. Оренбургская область является одной из важнейших житниц страны, крупным производителем и поставщиком товарного зерна. В удельном весе закупок в РФ зерна почти 10% приходится на долю Оренбургской области, а по Уральскому региону доля производства его составляет 26,4%.
В области за последние 40 - 50 лет плодородие заметно снизилось. По результатам почвенного обследования за этот период содержание гумуса в типичных тучных чернозёмах уменьшилось с 12,5 до 9,5%, обыкновенных с 7,4 до 5,7%, южных с 7,1 до 5,6% и тёмно-каштановых - с 4,2 до 3,2% (Блохин и др., 1985).
В настоящее время падение плодородия почвы продолжается. Большинство хозяйств области имеет в почве отрицательный баланс гумуса. Основной причиной падения плодородия почв являются эрозионные процессы в результате неправильного обращения с землей. К сожалению, эти процессы до сих пор не прекращаются, площадь пашни подверженной водной, ветровой и совместной эрозии по области соответственно составляет 2,1; 1,4 и 1,5 млн. га. Кроме того, потенциально эрозионно-опасных земель в области насчитывается около 1,1 млн. га.
Основным местом потери гумуса является паровое поле, оно самое незащищённое и уязвимое в отношении эрозии, особенно когда по чистому пару размещается яровая пшеница. Проблема защиты парового поля до конца не решена. Полосное размещение чистого пара между зерновыми и многолетними травами приводит к обработке почвы, посеву и уборке в одном направлении с неизбежными потерями производительности труда и урожая. Этот приём трудоёмкий н практически мало применяется в хозяйствах области.
Сокращение числа механических обработок пара, в целях защиты почв от эрозии, вынуждает применять гербициды, что приводит к нарушению экологической обстановки и экономически не всегда оправдано.
5
Второй немаловажной причиной падения плодородия в области является недостаточное внесение органических удобрений.
Для положительного баланса гумуса на различных почвенных разностях необходимо вносить навоз от 5 до 8 т. на 1 га, но за последние годы он практически не вносится. Солома является хорошим удобрением, однако из-за отсутствия измельчителей на комбайнах она также не используется.
Минеральные удобрения не повышают плодородие почвы, а только лишь сохраняют его (Шульмейстер, 1995). Но за последние годы и этот вид удобрений практически не применяется в области.
Заметную роль в повышении плодородия почвы играют многолетние травы, но в засушливых условиях области, особенно в сухой степи, они низкопродуктивны и не вносят существенный вклад в этот процесс.
В связи с вышесказанным, для сохранения и повышения плодородия почвы необходимо изыскивать другие приёмы, которые бы способствовали улучшению состояния почв Оренбуржья. К таким приёмам, на наш взгляд, в первую очередь относится использование для этих целей полной и пожнивной сидерации, а также выращивание суданской травы с летним сроком сева в поле чёрного пара, для защиты его от различных видов эрозии. Однако в засушливых условиях эти вопросы практически слабо изучены и требуют более тщательной научной проработки. Особенно большой интерес представляет изучение эти вопросов в системе полевых севооборотов, что бы выявить их эффективность не только в действии и последействии, но и в целом в системе всего севооборота.
Представленное нами данное положение и составляет актуальность нашего исследования.
Цель и задачи исследования. Цель - повысить плодородие почвы, урожайность возделываемых культур и продуктивность полевых севооборотов в третьей ротации с различными видами пара на разных фонах питания.
б
Задачи исследований:
- установить роль севооборотов с чёрными, почвозащитными и сидераль-ными парами в сохранении и повышении плодородия почвы;
- изучить биологическую активность почвы под различными культурами севооборотов;
- выявить основные причины потерь гумуса в чёрных, почвозащитных, сидеральных и бессменных парах;
- дать оценку фитосанитарного состояния посевов в зависимости от вида пара и фона питания;
- установить влияние паров и фонов питания на содержание гумуса в метровом слое почвы за период от начала (яровая твёрдая пшеница) к концу (ячмень) ротации севооборотов;
- проследить в динамике изменение содержания нитратного азота в полутораметровом и подвижных форм фосфора и калия в метровом слоях почвы, за период парования и в посевах твёрдой пшеницы;
- дать экономическую, биоэнергетическую и агроэкологическую оценки севооборотам с различными парами.
Научная новизна. Впервые на чернозёмах южных степного Предуралья изучены севообороты с различными видами пара и фонами питания в третьей ротации, установлено их влияние на основные показатели плодородия почвы, урожайность возделываемых культур и продуктивность севооборотов.
Впервые выявлена динамика содержания гумуса в метровом слое почвы от начала (твёрдая пшеница) к концу (ячмень) ротации севооборотов, установлена миграция нитратного азота в полутораметровой толще почвы на разных видах пара и фонах питания.
Практическая значимость работы. Использование почвозащитного и си-дерального видов пара позволяет повышать основные показатели плодородия почвы, урожайность возделываемых культур, продуктивность севооборотов и улучшает экологическую обстановку.
7
Внедрение почвозащитного и сидерального видов пара под яровую твёрдую пшеницу в 2004 году в опытно-производственных хозяйствах имени Куйбышева и «Урожайное» Оренбургского НИИСХ на площади 200 га позволило получить экономический эффект по почвозащитному пару - 398, по сидераль-ному - 942 руб с 1 га.
Основные положения, выносимые на защиту:
- влияние различных видов пара на агрофизические, агрохимические и биологические свойства почвы;
- приёмы защиты почвы от ветровой, водной и биологической эрозии в паровом поле, сохранения и повышения плодородия почвы в севооборотах;
- урожайность сельскохозяйственных культур и продуктивность севооборотов в зависимости от вида пара и фона питания;
- экономическая, биоэнергетическая и агроэкологическая оценки зерно-парового, почвозащитного и сидерального севооборотов.
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации доложены на областных научных конференциях молодых учёных и специалистов, семинарах - «День поля», учёных советах, методических комиссиях института (2001 - 2003 гг.) и опубликованы в четырёх научных статьях.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, предложений производству и списка литературы. Работа изложена на 168 страницах компьютерного текста, включает 36 таблиц и 10 рисунков. Список литературы содержит 256 источников, в том числе 28 на иностранных языках.
8 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Севообороты являются важным агротехническим и биологическим средством восстановления плодородия и защиты почвы от эрозии и приобретают всё большее фитосанитарное значение в земледелии. Они являются основой биологизации земледелия, которая в современных условиях создаёт исключительно благоприятные предпосылки для ведения экологически чистого земледелия. Эти предпосылки реализуются путём усиления природоохранной, почвозащитной и фитосанитарной роли севооборотов через оптимизацию структуры посевных площадей в сторону расширения посевов многолетних трав бобовых, промежуточных, сидеральных и других культур и строгое соблюдение принципов плодосмены при проектировании севооборотов (Лошаков, 1999, 2000; Воробьёв, Лошаков, 1996).
Тысячилетний практический опыт постоянно убеждал земледельца в том, что органическое вещество почвы играет исключительно важную роль в создании её плодородия, в формировании урожая. Не случайно само название "гумус" в переводе с латинского означает "почва".
Конец XIX в. отмечен в агрономической науке блистательным расцветом русского генетического почвоведения. Учение В. В. Докучаева о факторах почвообразования (1940) получило дальнейшее развитие в трудах П. А. Косты-чева (1940) и В. Р. Вильямса (1951), которые считали биологический фактор -растительность и деятельность живых организмов - ведущим в почвообразовании и формировании плодородия. Действие данного фактора, по мнению этих исследователей, проявляется через гумус, присутствие которого в почве - качественный признак, отличающий последнюю от горной породы.
В наиболее популярных в начале XX в. руководствах по земледелию П. Ф. Баракова и С. П. Кравкова (1978) роль органического вещества в плодородии почвы оценена очень высоко.
9
Взгляд на органическое вещество почвы и удобрений как на источник запасных питательных веществ и условие расширенного воспроизводства элементов питания растений находит отражение в трудах Д. Н. Прянишникова (1965).
Большой вклад в учение об органическом веществе и участии его в плодородии почвы в более поздний период внесли исследования И. В. Тюрина (1965). И. В. Тюрин, дискутируя с С. А. Ваксманом (1937), отстаивает специфическую высокомолекулярную природу гумусовых веществ. Им были изучены особенности природы отдельных гумусовых веществ почвы, предложены оригинальные методы изучения гумуса и его фракционного состава. Всё это позволило И. В. Тюрину выступить с концепцией о географических особенностях гумусообразования, значительно углубляющей взгляды В. В. Докучаева.
Идеи И. В. Тюрина получили дальнейшее развитие в исследованиях М. М. Кононовой (1963, 1969, 1979), В. В. Пономарёвой (1980), А. А. Александровой (1978,1980).
Различия в оценке роли органического вещества почвы и удобрений отчасти объясняются вследствие неопределённости понятий "плодородия почвы".
В, Р. Вильяме под плодородием понимал способность почвы к "одновременному ... в максимально потребных количествах" удовлетворению потребности растения в воде и пище (1951). А. А. Роде к определению В. Р. Виль-ямса добавляет способность почвы обеспечить воздушное питание корней растений, а также отсутствие в почве вредных веществ и возможность физического закрепления (1955). Аналогичные определения дают В. А. Ковда (1979), И. С. Кауричев (1979).
И. В. Тюрин за показатель потенциального плодородия принимал запасы в почве общего азота. Ежегодно освобождаемое почвой количество минерального азота, по его мнению, может служить показателем эффективного плодородия почвы (1965).
10
Большой интерес к понятию "плодородие почвы" проявляют и зарубежные исследователи. Rauhe К. (1964) и др. под плодородием почвы понимают "объективное качество почвы на основе её физических, химических и биологических свойств служить возделываемым растениям средой обитания и посредником в обеспечении водой и питательными веществами ", Scheffer F, и Liberotr (1957) различают плодородие и плодоносив. Если первое - способность почвы быть средой обитания растений и снабжать их водой и питательными веществами, то второе - функция взаимодействия почвы, климата, растений и труда земледельца. Плодородие почвы характеризуется не обязательно урожайностью, а, прежде всего - внутренними свойствами. Аналогичными определениями плодородия и плодоносил почвы приводит Kohniein J. (1965).
Klapp E. (1967) под плодородием почвы понимает "её природную устойчивость к созданию урожая растений".
Уровень плодородия почв является определяющим фактором в получении высоких и стабильных урожаев сельскохозяйственных культур. Поэтому в условиях современного интенсивного сельскохозяйственного производства в мировой земледельческой практике вопросы повышения плодородия почв приобретают первостепенное значение. Большая роль в создании почвенного плодородия принадлежит гумусу. В органическом веществе заключено 98% всего запаса азота почвы и 60% фосфора (Александрова, 1980).
Существует определённая зависимость между содержанием гумуса в почве и её производительной способностью. Гумусовые вещества в почве постоянно разрушаются и образуются вновь. Преобладание того или иного процесса зависит от уровня культуры земледелия.
По данным многочисленных исследований, наблюдается тенденция к снижению содержания гумуса в интенсивно распахиваемых почвах, если применяемая система земледелия не предусматривает его пополнения за счёт органических удобрений или пожнивных остатков (Егоров, 1981; Орлов, 1981; Рой-ченко, Глушук, 1981).
11
Почвы Оренбургской области за последние три десятилетия вследствие интенсивных эрозионных процессов и недостаточного применения органических и минеральных удобрений потеряли до 25 — 30% гумуса (Кислов, 1996). Расчёты, проведённые специалистами Оренбургского филиала института "Рос-гипрозём" совместно с Оренбургским СХИ и ОНИИСХ показали, что в среднем за год в пахотных слоях почв Оренбургской области снижение содержания гумуса составляет 0,09-0,05%, в подпахотных - 0,06-0,01%. Особенно интенсивно оно происходит в чернозёмах типичных тучных и южных и достигает здесь 0,11-0,07% ежегодно, что составляет 2,0-0,8 т на 1 га в пахотном слое (Система сухого земледелия в Оренбургской области, 1982; Блохин и др., 1985).
По расчётам, проведённым учёными МГУ, большинство почв за счёт минерализации теряет ежегодно от 0,6 до 1,7 т на 1 га гумуса (Орлов, 1981).
В чернозёмах Краснодарского края за 25 лет содержание гумуса в абсолютных показателях уменьшилось в среднем на 1,3% (Егоров, 1981).
В целом ежегодные потери гумуса в пахотных почвах могут достигать от 0,5 до 1-2% в год от исходного его количества (Орлов, 1981; Юркин и др., 1981 .
Аналогичные результаты по снижению содержания гумуса в почвах наблюдаются при интенсивном использовании земель и в зарубежных странах. Так, содержание гумуса в среднем в пахотном горизонте степных почв и прерий Канады, США, Аргентины снизилось без регулярного применения органических удобрений на 30-40%. В Бразилии в освоенных почвах оно уменьшилось в 3 раза (с 6 до 2%) (Ковда, 1981).
Поддержание более высокого уровня содержания гумуса в почве и дальнейшее его увеличение является важнейшей задачей повышения почвенного плодородия. В связи с этим существенно возрастает роль различных видов органических удобрений, пожнивно-корневых остатков, за счёт которых в почву поступает органическое вещество.
12
Растительные остатки оказывают большое влияние на восполнение потерь гумуса из почвы, а также на пищевой режим почвы (Бесподстилочный навоз и его использование для удобрения, 1978; Егоров, 1978; Кизяков, 1981; Gieroba, Szewe, 1977; Rassmussen, 1980; Skidmore и др., 1979). Однако они не компенсируют потерь гумуса из почвы (Бедак и др., 1981; Егоров, 1978; Skidmore и др., 1979). Так в условиях Северо-Запада 70-80% поступающих в почву растительных остатков минерализуется до конечных продуктов и только 20-30% превращается в гумусовые вещества (Пестряков, 1977).
Количество пожнивно-корневых остатков, поступающих в почву, неодинаково в различных почвенно-климатических условиях. Оно зависит от характера выращиваемых культур, типов севооборотов, уровня получаемых урожаев.
Меньше пожнивных и корневых остатков поступает в почву, занятую под однолетними зернобобовыми, - 12 - 25 ц на 1 га, зерновыми и пропашными культурами -25 - 30 ц на 1 га, в то время как под многолетними бобовыми и злаковыми травами остаётся на гектаре до 100 ц и более органических остатков (Лыков, 1982). С. А. Воробьёв (1982) приводит следующий ряд культур в порядке уменьшения количества оставляемого в почве органического вещества: многолетние бобово-мятликовые травосмеси; многолетние бобовые травы; однолетние бобово-мятликовые смеси; озимые зерновые культуры; кукуруза, яровые зерновые и зернобобовые; лён; картофель и корнеплоды. В такой же последовательности распологаются культуры по их способности к структурообразо-ванию.
Роль различных культур в накоплении гумуса определяется количеством поступающих в почву растительных остатков и их соотношениехМ в севообороте. По оценке С. А. Воробьёва (1982), количество поступающих в почву растительных остатков после уборки всех полевых культур, за исключением многолетних трав, на фоне без внесения органических удобрений, недостаточно
13
для возмещения потерь гумуса при минерализации его в процессе выращивания урожая.
Возделывание культур сплошного сева положительно влияет на процесс гумусонакопления в почве, как из-за большего количества растительных остатков, так и вследствие менее интенсивной обработки почвы. По данным Г. Я. Чесняка (1981), изменение насыщенности севооборота пропашными культурами для типичных чернозёмов Украины привело к росту потерь гумуса примерно в 2,5 раза.
Растительные остатки имеют важное значение не только как фактор накопления гумуса, но и как источник питательных веществ, высвобождаемых в результате минерализации промежуточных продуктов разложения в почве (Донос, Кордуняну, 1980). Сохранение при этом высокого уровня биологической активности почв - необходимое условие повышения эффективного их плодородия. Так, установлено, что разложение растительных остатков в бессменном пару замедленно в отличие от почвы, занятой культурными растениями (Теп-пер, Иванова, 1978).
Возделывание сельскохозяйственных культур в севообороте, увеличивая подвижность гумусовых веществ, в то же время создаёт наиболее благоприятные условия для гумусообразования, улучшает тем самым качественное состояние гумуса почвы. В этом случае, как правило, величина эффективного плодородия почв выше. При бессменном возделывании культур наблюдается тенденция роста подвижности гумуса за счёт увеличения доли подвижных гу-миновых и фульвокислот в составе гумусовых веществ (Воронков, Сидоров, 1980). Последнее обусловлено менее интенсивными микробиологическими процессами почвы.
Мало изученнымидо сих пор остаются процессы гумификации - минерализации органических остатков, связанные с физиологическим состоянием растений по фазам роста и развития, изменениями климатических условий, в том числе с неодинаковой интенсивностью солнечного излучения и др. (Кори-
14 нец, 1983). Динамичность этих процессов в значительной степени определяет
жизнь почвы и её плодородие.
Под разными культурами формируется гумус неодинакового качества. Так, при гумификации растительных остатков, богатых лигнином, система гумусовых веществ почвы обогащается ароматическими фрагментами, в то время как преобладание в составе растительных остатков углеводов и белков приводит к накоплению углеводно-полипептидных фрагментов. Они обладают неодинаковой биохимической устойчивостью к разлогающему действию почвенной микрофлоры (Скоропанов и др., 1982).
Равные условия гумусового баланса на разногумусированных почвах требуют неодинакового возмещения органического вещества: на малогумуси-рованных почвах бездефицитный баланс гумуса достигается с гораздо меньшими затратами материальных средств, чем на высокогумусированных почвах. Причём увеличение потерь гумуса на окультуренной почве не только зависит от уровня интенсивности биологических процессов, но и в значительной степени обусловлено большим выносом почвенного азота с урожаем полевых культур (Лыков, 1982).
Размер и соотношение между количеством поступающих растительных остатков и величиной ежегодных минерализационных потерь определяют уровень содержания и предел накопления гумуса. Последний наступает, по мнению И. В. Тюрина (1965), при равенстве этих двух составляющих гумусового баланса в известных постоянных условиях окружающей среды.
В качестве общей закономерности можно отметить, что наиболее интенсивно процессы разложения растительных остатков происходят за короткий срок первоначального этапа разложения. В дальнейшем скорость этих процессов падает, что обусловлено снижением степени доступности для микроорганизмов компонентов органической массы (Иванова, 1978; Кауричев и др., 1970).
15
На связанных почвах Нечерноземной зоны в 7 - 8-польном севообороте с одним полем пропашных за счбт пожнивно-корневых остатков восполняется около половины ежегодных потерь гумуса из почвы (ежегодная минерализация гумуса на суглинистых почвах составляла здесь 0,9-1,1 т на 1 га) (Сдобников, 1982).
Пожнивно-корневые остатки не обеспечивают положительного баланса и в богатых гумусом степных почвах. Так, в условиях Курской области, где ежегодные темпы минерализации гумуса в пахотных почвах ориентировочно составляет 0,9 т на 1 га, за счёт пожнивно-корневых остатков накапливалось только 0,32 - 0,45 т на 1 га гумуса (Накопление и использование органических удобрений, 1982).
На неудобренных участках в стационарных опытах Лесостепи Украины среднегодовые потери гумуса составляют 1,1 т на 1 га. За счёт ежегодного поступления растительных остатков (28 - 30 ц на 1 га) образуется лишь 3 - 4 ц на 1 га гумуса (Ройченко, Глушук, 1981).
По данным Сибирского отделения ВАСХНИЛ, недостаточное количество пожнивно-корневых остатков (12 ц на 1 га), поступающих в почву при возделывании яровой пшеницы, не восполняет ежегодных потерь органического вещества (Олифер, 1980).
Наибольшее количество растительных остатков и питательных веществ оставляют в почве многолетние травы (Егоров, 1978; Лыков, Дубов и др., 1982; Мазуро, Федоренчик, 1982; Роскошанский, 1981; Свиридов, 1980; Сидоров, Зе-зюков, 1981). Так, в севооборотах с травами двухлетнего пользования около 40% пожнивно-корневых остатков накапливается за счёт трав. При урожае сена 25 - 30 ц с 1 га с пожнивно-корневыми остатками в почву поступает 20 - 25 ц на I га сухой массы, при урожае 60 - 70 ц с 1 га - 50 - 60 ц на 1 га (Юркин и др., 1981).
По данным Донского зонального НИИСХ в условиях Ростовской области содержание гумуса в пахотном и подпахотном слоях через 4 года увели-
16
чилось на 0,2 - 0,4% за счёт накопления большей массы корней люцерны при систематическом внесении минеральных удобрений (Плодородие почвы и урожай, 1981).
В опытах Ставропольского НИИСХ возделывание люцерны увеличивало содержание гумуса в 0 - 40-сантиметровом слое почвы по сравнению с исходным. Коэффициент гумификации растительных остатков люцерны составлял 0,3 (пропашных культур - 0,15) (Агеев, 1979).
При современном уровне урожаев поступающее в почву количество растительных остатков не может обеспечить бездефицитный баланс гумуса в почве. В литературе отмечены лишь отдельные случаи, когда за счёт растительных остатков содержание гумуса в почве сохранялось на исходном уровне (Ивашкин и др., 1980) или несколько возрастало (Barber, 1982).
Подстилочный навоз является ценным органическим удобрением, обеспечивает растения необходимыми питательными веществами, служит источником пополнения запасов гумуса в почве, оказывает существенное влияние на её структуру, водно-физические свойства и урожай выращиваемых сельскохозяйственных культур.
По данным Н. С. Авдонина (1982), первая удобряемая культура в среднем использует 20 - 25% азота почвы. Степень усвоения калия практически такая же, как и из минеральных удобрений, усвояемость фосфора бывает и выше.
Д. У. Кук (1970) считает, что половина всего содержания фосфора в навозе доступна растениям.
Длительность последействия навоза может достигать 5 - 6 и более лет. В условиях дерново-подзолистых почв 1 т навоза в сумме даёт прибавку урожая в 1 ц с 1 га (в перерасчёте на зерно) (Авдонин, 1982).
Положительное влияние различных норм навоза на урожай сельскохозяйственных культур отмечено во всех почвенно-климатических зонах (Дего-дюк и др., 1981; Корчагина и др., 1981; Полуэктов, Томах, 1980).
17
Подстилочный навоз способствует поддержанию содержания гумуса в почве на исходном или близком к нему уровне, а при высоких нормах его внесения оно возрастает (Панников, 1981).
Увеличение и поддержание содержания гумуса при применении навоза отмечено и на почвах, характеризующихся более высоким уровнем плодородия (Годунов, Покудин, 1977; Ерошенко, 1981; Сдобников, 1982).
По данным, полученным в НИИСХ ЦЧП им. В. В. Докучаева, применение 6 т навоза на 1 га севооборотной площади позволило не только приостановить процессы деградации чернозёма, но и повысить за 10 лет содержание гумуса в пахотнОхМ слое на 0,4% (Шевченко, 1979).
В длительных опытах в Тироле (Германия) установлено, что ежегодное внесение 10 т на 1 га навоза увеличило в среднем за 33 года запасы гумуса в 0 -30-сантиметровом слое песчанных почв на 15 т на 1 га (Schneider и др., 1981).
С. С. Сдобников (1982) считает, что с учётом того, что 75% вносимых органических удобрений подвергается минерализации и только 25% идёт на пополнение запасов гумуса в почве, на 1 т навоза или компостов образуется 35 -50 кг гумуса.
По данным В. В. Егорова (1981), практически бездефицитный по гумусу баланс можно обеспечить путём внесения 12 - 16 т на 1 га подстилочного навоза. При необходимости увеличения содержания гумуса до более высокого уровня данные нормы повышают в 1,5-2 раза, что подтверждается опытными многолетними данными,
В условиях Приморья для создания бездефицитного баланса гумуса необходимо ежегодно использовать 5 - б т на 1 га навоза (Жежер, Малашенко, 1980).
При совместном применении навоза и минеральных удобрений нормы его внесения для достижения бездефицитного баланса гумуса в почве могут быть ниже, чем при внесении одного навоза. |
