Агроэкологическое обоснование систем применения удобрений в севооборотах на дерново-подзолистых супесчаных и песчаных почвах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский, конструкторский и проектно-технологический институт органических удобрений и торфа Российской академии сельскохозяйственных наук

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Агроэкологическое обоснование систем применения удобрений в севооборотах на дерново-подзолистых супесчаных и песчаных почвах

Специальность 06.01.04 - агрохимия

Лукин Сергей Михайлович

Москва - 2009

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский, конструкторский и проектно-технологический институт органических удобрений и торфа Российской академии сельскохозяйственных наук

Официальные оппоненты:

доктор биологичеких наук, профессор Егоров Владимир Сергеевич;

доктор биологических наук, профессор Никитишен Владимир Иванович;

доктор сельскохозяйственных наук Кирпичников Николай Алексеевич.

Ведущее учреждение:

ФГОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А.Тимирязева»

Защита состоится на заседании диссертационного совета Д 006.029.01 при ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии им. Д. Н. Прянишникова Россельхозакадемии

Адрес: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 31а, диссертационный совет Д.006.029.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВНИИА им. Д. Н. Прянишникова Россельхозакадемии

Автореферат разослан 2009г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, можно прислать по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д.31 а.

Ученый секретарь диссертационного совета Л.В. Никитина.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Повышение плодородия пахотных дерново-подзолистых супесчаных и песчаных почв, занимающих в Нечерноземной зоне Российской Федерации более 5 млн. га, связано с использованием комплекса мероприятий по оптимизации их агрохимических, физико-химических и биологических свойств. К числу важнейших из них принадлежит разработка научно-обоснованных систем применения удобрений.

Система применения удобрений должна предусматривать получение требуемого уровня урожайности сельскохозяйственных культур высокого качества, сохранение и повышение плодородия почв, охрану окружающей среды от загрязнения. Необходимой предпосылкой этого является изучение закономерностей действия удобрений на величину и качество урожая, баланс органического вещества и элементов минерального питания; оптимизация применения удобрений в зависимости от почвенных, климатических условий, вида удобрений, структуры севооборотов.

Вопросам сохранения и повышения плодородия легких дерново-подзолистых почв посвящены многие научные работы (Франковский Е.С., 1929, 1948; Важенин И.Г., 1936, 1975; Алексеев Е.К., 1948, 1960; Прокошев В.Н., 1952, 1960; Духанин А.А., 1969; Алтунин Д.А., Соловьев П.П., 1975; Бузмаков В.В., 1975; Григорьев Г.И., 1975; Нарциссов В.П. и др., 1975; Кулаковская Т.Н., 1978; Липкина Г.С., 1978, 1980; Апарин В.Ф. и др., 1981; Прокошев В.В., 1988; Белоус Н.М., 1997; Беляев Г.Н.,2005).

Вместе с тем, в последние годы возрастает актуальность исследований по оптимизации минерального питания растений в условиях ограниченного использования удобрений и химических мелиорантов, изучению длительности последействия удобрений, оценке роли биологических факторов в воспроизводстве почвенного плодородия. Важное значение имеет моделирование процессов динамики и трансформации органического вещества и питательных веществ в почвах; корректировка коэффициентов использования азота, фосфора, калия из удобрений, нормативов окупаемости удобрений прибавкой урожая, а также поправочных коэффициентов к нормативам для различных агроэкологических типов земель. При этом все мероприятия по воспроизводству плодородия почв, в т. ч. системы удобрений, являющиеся составным элементом систем земледелия, должны быть обоснованы экологически, т.е. соответствовать почвенно-климатическому природному комплексу, включающему геоморфологические и биогеохимические особенности территории (Розанов Б.Г., 1987).

Цель и задачи исследования. Целью исследований является проведение комплексной агроэкологической оценки и обоснование систем применения удобрений в севооборотах на дерново-подзолистых супесчаных и песчаных почвах Центрального района Нечерноземной зоны.

Задачи исследований:

- изучить влияние длительного применения различных систем удобрений на урожайность сельскохозяйственных культур и качество продукции;

- определить эффективность систем удобрений в зависимости от метеорологических условий, известкования, структуры севооборотов, длительности применения удобрений;

- дать оценку эффективности применения удобрений в зависимости от структуры почвенного покрова в агроландшафтах;

- изучить баланс органического вещества в почвах при длительном применении удобрений, выявить влияние различных систем удобрений и севооборотов на содержание активных компонентов органического вещества почв;

- исследовать режимы элементов минерального питания в почвах при использовании различных систем удобрений, определить коэффициенты использования и потери биогенных элементов в агроценозах;

- изучить биологическую активность почвы при использовании различных систем удобрений, определить роль биологической фиксации азота бобовыми культурами в балансе азота в агроценозах на легких дерново-подзолистых почвах;

- дать энергоэкономическую оценку эффективности применения различных систем удобрений.

Научная новизна. Проведена комплексная агроэкологическая оценка режимов органического вещества и биогенных элементов, биологической активности почв при длительном применении различных систем удобрений. Впервые на легких дерново-подзолистых почвах Центрального района НЗ выявлен характер изменения эффективности систем удобрений, выравненных по количеству питательных веществ, в зависимости от длительности применения удобрений, структуры севооборотов, агроландшафтных условий.

На основе анализа изменения плодородия почв во времени изучены и выражены в виде регрессионных уравнений закономерности действия систем удобрений на продуктивность агроценозов, качество урожая сельскохозяйственных культур, баланс питательных веществ и плодородие почв. На основе баланса азота в агроценозах установлены размеры симбиотической и несимбиотической фиксации азота на легких дерново-подзолистых почвах.

Определены минимальные и оптимальные для легких дерново-подзолистых почв уровни содержания гумуса и его активных компонентов. Разработана статистическая модель динамики гумуса в легких дерново-подзолистых почвах, позволяющая рассчитывать оптимальные дозы органических удобрений в севооборотах, а также осуществлять прогноз изменения его содержания в зависимости от агротехнических факторов. Впервые определены размеры эмиссионных потерь углерода при использовании различных систем удобрений.

Исследованы показатели азотного, фосфатного и калийного режимов дерново-подзолистых почв на двучленных отложениях при длительном использовании удобрений и определены уровни содержания элементов минерального питания в почве в зависимости от их баланса в севообороте. Установлены размеры использования фосфора из труднорастворимых и калия из необменных форм во времени при их отрицательном балансе.

На основе агроэкологической оценки структуры почвенного покрова в агроландшафтах разработаны поправочные коэффициенты к уровню продуктивности посевов и окупаемости удобрений урожаем в зависимости от агроэкологических типов земель Мещеры для оптимизации систем применения удобрений на легких дерново-подзолистых почвах.

Теоретическая значимость работы состоит в том, что установлены новые закономерности длительного действия различных систем удобрений на показатели плодородия дерново-подзолистых супесчаных и песчаных и почв, продуктивность севооборотов и качество сельскохозяйственной продукции, выраженные в виде регрессионных уравнений. Проведена оценка неоднородности свойств почвенного покрова на двучленных отложениях и определены пути оптимизации систем применения удобрений в агроландшафтах. Исследованы закономерности круговорота углерода, баланс и режимы элементов минерального питания в легких дерново-подзолистых почвах при длительном применении удобрений.

Разработанные статистические модели позволяют определить оптимальные дозы внесения удобрений и извести в севооборотах, а также прогнозировать изменение плодородия почв во времени в зависимости от обеспеченности ресурсами.

Практическая значимость и реализация исследований. Результаты исследований являются теоретической и практической основой для разработки и рационального использования систем удобрений в севооборотах различной специализации на легких дерново-подзолистых почвах Центрального района России. Внедрение в сельскохозяйственное производство приемов воспроизводства плодородия почв, предусматривающих комплексное использование органических, минеральных удобрений, химических мелиорантов и биологического азота, обеспечивает среднегодовую продуктивность севооборотов до 40-48 ц з.е./га при окупаемости 1 кг NPK 7-8 кг з.ед.

Результаты исследований использованы при разработке комплексных программ воспроизводства плодородия почв Владимирской области на 1991-1995, 1996-2000, 2001-2005 и 2006-2010 г.г., федеральной целевой программы «Повышение плодородия почв России на 2002-2005г.г.», программных комплексов ЭВМ по расчету доз и оценке эффективности удобрений.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Закономерности изменения плодородия дерново-подзолистых почв легкого гранулометрического состава при длительном (более 30 лет) использовании различных систем удобрений.

2. Количественные зависимости продуктивности севооборотов от уровня плодородия почв, доз внесения удобрений, метеорологических условий, агроэкологических свойств легких дерново-подзолистых почв.

3. Показатели круговорота углерода, баланса органического вещества и элементов минерального питания при длительном применении удобрений.

4. Оптимальные параметры содержания гумуса в легких дерново-подзолистых почвах, в т.ч. его активных компонентов, нормативы для их достижения, статистическая модель динамики содержания гумуса в легких дерново-подзолистых почвах.

5. Показатели фосфатного и калийного состояния, микроэлементного состава почв и направленность их изменения при длительном использовании различных систем удобрений.

6. Оценка изменения биологической активности почв при длительном применении удобрений. Размеры симбиотической и несимбиотический азотфиксации в агроценозах на легких дерново-подзолистых почвах.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на 10 Международном конгрессе по биологической фиксации азота, Санкт-Петербург, 1995; Всероссийских конференциях: «Антропогенная деградация почвенного покрова и меры ее предупреждения», Москва, 1998; «Микробиология почв и земледелие», Москва, 1998; «Сельскохозяйственная микробиология в - XIX-XXI веках», Санкт-Петербург, 2002; «Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям», Москва, 2002; симпозиуме «Лизиметрические исследования в агрохимии, почвоведении и агроэкологии», Москва, 1999; научно-практической конференции «Современные проблемы опытного дела», Санкт-Петербург, 2000; 3-съезде Докучаевского общества почвоведов, Суздаль, 2000; 1 и 3-й Национальных конференциях «Эмиссия и сток парниковых газов на территории Северной Евразии», Пущино, 2000, 2007; 11 Международном симпозиуме по азоту, Реймс, Франция, 2001; Международном симпозиуме «Практические решения проблемы оптимизации содержания С и N в сельскохозяйственных почвах», Прага, 2003; Международной конференции «Агроэкологические функции органического вещества почв и использование органических удобрений в ландшафтном земледелии», Владимир, 2004; Международном симпозиуме «Методы исследований органического вещества почв», Владимир, 2005; Конференции «Биосферные функции почвенного покрова», Пущино, 2005; Международной конференции «Роль длительных полевых экспериментов в сельскохозяйственных и экологических исследованиях», Прага,2005; Всероссийских конференциях участников Географической сети опытов с удобрениями 1996, 1998, 2001, 2003, 2005, 2006, 2008 г.г.

Публикации. По материалам исследований опубликовано 56 работ, получено 6 патентов и авторских свидетельств.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 405 страницах, состоит из введения, 9 глав и выводов. Содержит 140 таблиц, 55 рисунков, 16 приложений.

В основу диссертационной работы положены результаты 28 летних исследований, проведенных автором на бывшей Судогодской опытной станции ВИУА и в ГНУ ВНИПТИОУ (директор член-корр. РАСХН А.И. Еськов). Теоретические исследования выполнены автором лично. В осуществлении экспериментальных работ, кроме автора, в разное время принимали участие А.И. Жуков, Л.В. Сорокина, М.Н. Новиков, Л.И. Ермакова, Н.А. Шилова, А.С. Шигабединова, Г.В. Симаков, Е.В. Марчук (ГНУ ВНИПТИОУ). В диссертации использованы результаты экспериментов, проведенных совместно с Э.А. Бабариной, Л.В. Никитиной (ГНУ ВНИИА), О.А. Пахненко (ГНУ НИИСХ ЦРНЗ), Л.М. Полянской, Т.А. Соколовой, О.Н. Козловой (МГУ). Всем им автор выражает глубокую благодарность за сотрудничество и помощь в работе.

Объекты и методы исследований

Материалы исследований относятся к территории Центрального природно-экономического района Нечерноземной зоны России. Объектами исследований являются дерново-подзолистые почвы легкого гранулометрического состава Мещерской низменности.

Исследования по агроэкологическому обоснованию систем применения удобрений выполнены в 2 длительных стационарных, 3 полевых, 2 агроландшафтных, длительном мелкоделяночном, вегетационном и лизиметрическом опытах.

В длительном стационарном опыте № 1 с 1968 г. изучается влияние различных систем удобрений на продуктивность зернопропашного севооборота, качество продукции и плодородие дерново-подзолистой супесчаной почвы. Схема опыта: 1. Без удобрений; 2. Р50К60; 3. N50Р05; 4. N50К60; 5. N50Р50К60; 6. Навоз 10 т/га; 7. Навоз 20 т/га; 8. N50Р25К60; 9. N50Р50К90; 10. Навоз 5 т/га + N25Р12К30; 11. Навоз 10 т/га + N50; 12. Навоз 10 т/га + N90Р25; 13. Навоз 10 т/га + N50Р25К60; 14. N100Р50К120; 15. N50Р25К60; 16. Навоз 10 т/га + N100Р50К120. В 1984-1989 гг. исследовали последействие удобрений. Начиная с 1990 г., в схему опыта внесены изменения: на варианте 11 начали вносить навоз 10 т/га + N50Р25К60 + солома; на варианте 12 - навоз 10 т/га + N50Р25К60 + солома + сидерат; 15 - N50Р25К60 + солома, остальные варианты сохранены без изменений. Варианты 6, 8, 10 и 7, 13, 14 выровнены по количеству питательных веществ в дозах, эквивалентных, соответственно, 10 и 20 т/га навоза. Длительный стационарный опыт заложен в севообороте: однолетний люпин - озимая пшеница - картофель - ячмень и до 1983 года проводился под руководством канд. с.-х. наук П.П. Соловьева. В проведении исследований автор участвует с 1984 года по настоящее время.

В опыте имеется многолетний неудобренный чистый пар, представляющий защитную полосу между двумя смежными полями опыта. Минеральные удобрения в опыте вносили согласно плану под все культуры севооборота, кроме люпина, навоз - под озимую пшеницу и картофель. В третьем поле стационара в 1970-1986 гг. исследования проводили на фоне извести и без извести. Почва под опытом - дерново-сильноподзолистая тяжелосупесчаная, слабоглееватая, подстилаемая с глубины 40-50 см моренным суглинком.

Свойства почвы перед закладкой опыта: рН 6,2-6,5 (на третьем поле без извести - 4,1), гидролитическая кислотность 1,0-2,2 мг-экв./100 г (на третьем поле 3,7-4,1), сумма поглощенных оснований 4,8-5,3 мг-экв./100 г (на третьем поле -1,4), Р₂О₅ - 1,4-2,5, К₂О - 6,3-10,4 мг/100 г, содержание гумуса 1,05-1,17 %. урожайность сельскохозяйственный удобрение агроценоз

В длительном стационарном опыте № 2 исследовали влияние навоза, минеральных удобрений, доломитовой муки и их сочетаний на продуктивность зернопропашного севооборота и плодородие дерново-подзолистой супесчаной почвы.

Схема опыта представляет собой 1/16 часть полной факториальной схемы 4х4х4х4х4 и включает 64 варианта. Единичная доза азота, фосфора, калия - 60 кг/га, навоза - 5 т/га, доломитовой муки 0,5 г.к. Схема чередования культур: подсолнечник на силос - озимая пшеница - кукуруза - ячмень. Опыт был заложен в 1971 г. и до 1983 года проводился под руководством канд. с.-х. наук П.П.Соловьева. В проведении исследований автор участвовал в 1984 -1986 гг. (третья ротация севооборота). Почва под опытом дерново-подзолистая тяжелосупесчаная, слабоглееватая и глееватая, подстилаемая с глубины 40-60 см моренным суглинком. Агрохимическая характеристика почвы перед закладкой опыта: рН - 4,2, гидролитическая кислотность - 3,4-3,8, сумма поглощенных оснований - 1,0-2,2 мг-экв./100 г, степень насыщенности почв основаниями - 23 - 37 %, содержание гумуса - 1,03 - 1,31 %, Р₂О₅ - 3,2 - 4,7, К₂О - 7,3 - 9,3 мг/100 г.

С целью оценки влияния структуры севооборотов на эффективность удобрений и роли азота бобовых культур в повышении продуктивности агроценозов использовали материалы, полученные в 3 полевых опытах с различной насыщенностью многолетними бобовыми травами и пропашными культурами.

В полевом опыте № 3 изучали влияние различных видов и форм органических удобрений на продуктивность зернотравянопропашного севооборота и плодородие дерново-подзолистой супесчаной почвы. В работе использовали данные, полученные в вариантах 1. Без удобрений; 2. N34Р68К68 - фон; 3. Фон + подстилочный навоз 10 т/га; 4. N79P117K114 (эквивалент вар. 3). Исследования проводили в севообороте: картофель - ячмень - клевер I г.п. - клевер II г.п. - озимая пшеница - ячмень. Годы проведения опыта: 1994 - 2000 гг. Почва - дерново-подзолистая тяжелосупесчаная, слабоглееватая, подстилаемая моренным суглинком.

В полевом опыте № 4 изучали влияние удобрений на продуктивность зернотравяного севооборота. Схема опыта: 1. Без удобрений; 2. N35Р50К50; 3. N70Р100К100. Исследования проводили в севообороте: ячмень - клевер - озимая пшеница. Годы проведения опыта: 1977-1981 гг. Почва - дерново-подзолистая, легкосупесчаная, слабоглееватая, подстилаемая на глубине 50-60 см моренным суглинком.

В полевом опыте № 5 изучали влияние органических и минеральных удобрений на продуктивность зернопарового севооборота. Схема опыта: 1. Без удобрений; 2. N83P75K90 - фон; 3. Фон + бесподстилочный навоз (N250); 4. Фон + подстилочный навоз (N250). В опыте изучали три способа заделки удобрений в почву и два способа обработки почвы (отвальная и безотвальная). Севооборот: однолетние травы - озимая пшеница - ячмень - овес. В обобщении использовали данные, полученные в вариантах 1,2,4 на фоне отвальной вспашки. Годы проведения опыта: 1986-1990 гг. Почва - дерново-подзолистая, тяжелосупесчаная, слабоглееватая.

В длительном мелкоделяночном опыте №6 проводили изучение влияния содержания гумуса в почве на урожайность сельскохозяйственных культур. Схема опыта: 1. Без удобрений; 2. N52Р62К73 - фон; 3.Фон + навоз 10 т/га; 4. Фон + навоз 20 т/га; 5. Фон + пожнивно-корневые остатки; 6. Фон + солома.Исследования проводили на почве с исходным уровнем содержания гумуса: 0,8%; 1,5%; 2,4%; и 3,2%. Для формирования почв, различающихся содержанием гумуса, использовали почву естественного плодородия (полевая почва с места закладки опыта) с содержанием гумуса 0,8% и старопахотную огородную почву с содержанием гумуса 3,2%. Два других варианта создавали путем перемешивания полевой и огородной почвы в соотношении 2:1 и 1:2. Подготовленные разногумусные смеси почвы закладывали в ячейки размером 0,5х0,5х0,25 м, из которых был предварительно удален верхний слой почвы. Опыт в 1987 - 1997 г проводился под руководством канд. биол. наук А.И. Жукова. В проведении опыта автор участвует с 1998 г.

В лизиметрическом опыте № 7 определяли потери питательных веществ удобрений с внутрипочвенным стоком. Схема опыта: 1. Контроль; 2. Навоз 40 т/га; 3. Навоз 80 т/га; 4. Навоз 320 т/га. Исследования проводили в звене севооборота: пар чистый (сидеральный) - озимая пшеница - картофель на дерново-подзолистых легко - и тяжелосупесчаных почвах, с содержанием физической глины, соответственно, 12 и 18 %. В опыте использовали пластмассовые лизиметрические воронки площадью 0,14 м². Годы проведения: 1998-2002 гг.

Изучение эффективности удобрений в зависимости от почвенно-ландшафтных условий в 1995 - 2002 гг. проведили в 2 агроландшафтных опытах.

В опыте № 8 изучали влияние удобрений на продуктивность зернотравянопропашного севооборота. Схема опыта: 1. Без удобрений; 2. Навоз 8 т/га + N28Р20К45. Севооборот: люпин однолетний (75 %) + картофель (25 %) - ячмень с подсевом клевера - клевер 1 г.п. - клевер 2 г.п. - озимая пшеница. Органоминеральная система предусматривала использование удобрений в дозах, обеспечивающих продуктивность севооборота в среднем 30 ц з.ед./га. В натуре были все 5 полей, которые вводились одновременно. Средний размер одного поля - 0,9 га, общая площадь - 4,5 га. Опыт заложен на юго-западном склоне моренного холма протяженностью 300 м и перепадом высот 14 м (средняя крутизна 2,0^о). На указанном участке склона гранулометрический состав почв, в зависимости от положения по рельефу, изменялся от легкосуглинистого до рыхлопесчаного. Учеты и наблюдения проводили на выделенных площадках в трехкратной повторности, а также по трансектам, охватывающим основные элементы рельефа. Годы проведения: 1998 - 2001 гг.

В опыте № 9 в 1995-2002 гг. изучали влияние рельефа, гранулометрического состава и мощности водноледниковых отложений на агрохимические свойства почв и урожайность культур зернопропашного севооборота. Отбор почвенных проб и учет урожая проводили по регулярной сетке 21х20 м, количество учетных делянок - 75, площадь опыта - 3,2 га. Севооборот: картофель - картофель - ячмень - однолетний люпин на зеленую массу - картофель - картофель - одн. люпин на зерно - картофель. Фоном применяли торфонавозный компост 15 т/га + N26Р26К45 или 255 кг/га NРК.

В вегетационном опыте (опыт №10) оценивали доступность остаточных фосфатов и калия для растений по окончании 7 ротации севооборота. Исследования проводили в сосудах емкостью 0,65 кг почвы, в которые помещали почву с вариантов длительного стационарного опыта: 1. Без удобрений, 2. Навоз 20 т/га, 3. Навоз 10 т/га + N50P25K60, 4.N100P50K120. Растения овса выращивали на фоне N₁₀K₂₀, N₁₀P₂₀, N₁₀P₂₀K₂₀. В растениях определяли содержание элементов минерального питания, в почве - изменение содержания подвижного фосфора и калия.

Полученные данные в опытах подвергали методам корреляционного, дисперсионного и регрессионного анализов с использованием пакетов прикладных программ STATISTICA 6,0, STATVIUA. Надежность уравнений проверяли по коэффициенту множественной корреляции (R) между фактическими данными и рассчитанными по уравнению.

Закладку и проведение опытов осуществляли согласно методическим указаниям (Доспехов Б.А., 1979; Методические указания …, 1976,1983,1985). В опытах использовали районированные сорта культур, технологии возделывания которых соответствовали рекомендуемым для зоны легких дерново-подзолистых почв.

Размеры фиксации азота бобовых культур определяли с помощью метода сравнения с небобовой культурой (Трепачев Е.П., 1971). Определение содержания гумуса проводили по методу Тюрина, групповой и фракционный состав гумуса - по Пономаревой и Плотниковой, содержание водорастворимого и лабильного гумуса по методике Почвенного института им. В.В. Докучаева (Орлов Д.С., Гришина Л.А., 1981; Дьяконова К.В. и др. 1984), водорастворимого органического вещества, экстрагируемого горячей водой - по методу Шульц Э. и Кёршенса М. (1998), легкоразлагаемого органического вещества - по методу Н.Ф. Ганжары (1987), содержание трансформируемого органического вещества - по методу Кёршенса М. (Kцrshens M., 1980), интенсивность выделения СО₂ - по методу И.Н. Шаркова (1986). Численность протеолитических микроорганизмов определяли на мясопептонном агаре, амилолитических - на крахмало-аммиачном агаре, целлюлозоразлагающих - на среде Гетчинсона, нитрифицирующих - на водном агаре, денитрифицирующих - на среде Гильтая в модификации Е.Ф. Березовой. Активность ферментов определялась О.А.Пахненко: уреазы и полифенолоксидазы - по А.Ш.Галстяну, инвертазы - по А.И.Чундеровой, активность денитрификации - по содержанию закиси азота после инкубирования, потенциальная активность несимбиотической азотфиксации - ацетиленовым методом (Методические указания… 1983; Методы почвенной микробиологии…, 1991).

Валовое содержание фосфора и калия определяли по методике Почвенного института после озоления в смеси азотной и фтористоводородной кислот, фракционный состав фосфатов - по Чангу-Джексону, формы калия: водорастворимый при соотношении почва - раствор 1:2, легкоподвижный - в 0,01 М СаСl₂, обменный - по Масловой, необменный легкогидролизуемый - по Пчелкину, необменный фиксированный - по Гедройцу (Агрохимические методы…, 1975; Методические указания…, 1983,1987; Экспресс-метод полного валового анализа почв, 1973).

Активность ионов К⁺ и Са²⁺ + Мg²⁺ определяли в водной суспензии при соотношении почва-раствор 1:2 после 5-минутного взбалтывания и настаивания при температуре 22 ^оС. Калийный потенциал рассчитывали по методике Шаймухаметова М.Ш. и др. (1991).Основные агрохимические анализы проводили в соответствии с принятыми в Агрохимслужбе РФ методиками.

Результаты исследований

Влияние длительного применения удобрений на продуктивность севооборотов и качество урожая сельскохозяйственных культур

Сравнительная эффективность длительного применения систем удобрений в севообороте. Результаты длительного стационарного опыта (опыт № 1) показали, что эффективность систем удобрений зависела от вида культур и доз внесения удобрений. Органическая система удобрений, при умеренных дозах их внесения, по действию на урожайность культур уступала минеральной, особенно на зерновых, где разница в урожаях была статистически достоверной. Прибавки урожая от использования органоминеральной системы удобрений в умеренных дозах на люпине, озимой пшенице и картофеле, а также в целом за севооборот, были примерно равны прибавкам от использования минеральной. Исключением явился ячмень, где эффективность органоминеральной системы удобрений была ниже, по сравнению с минеральной системой.

При использовании удобрений в повышенных дозах эффективность органической и минеральной систем удобрений на озиой пшенице и картофеле была одинаковой, на ячмене более высокая урожайность получена при внесении минеральных удобрений. В среднем за 7 ротаций продуктивность севооборота по органической системе удобрений оказалась ниже минеральной на 2,7-3,5 ц з.ед./га или на 9-10 %. При внесении удобрений в повышенных дозах отчетливо выявляется преимущество органоминеральной системы удобрений. В среднем за 7 ротаций прибавка урожая от сочетания навоза и минеральных удобрений была на 4,2 ц з.ед./га выше, по сравнению с органической системой удобрений, и на 1,5 ц з.ед./га - по сравнению с минеральной. Увеличение доз удобрений с 270 до 405 кг NPK не приводило к существенному росту продуктивности севооборота (табл. 1).

Таблица 1. Влияние различных систем удобрений на урожайность сельскохозяйственных культур (в среднем за 1968-2002 гг.)

НСР 0,95 (удобрения), ц/га 9,2 0,9 8,2 1,2 1,4

НСР 0,95 (годы проведения 10,2 0,9 8,5 1,3 1,5 опыта), ц/га

В результате длительного применения удобрений и повышения окультуренности почвы наблюдался рост прибавок урожая от удобрений, долевого участия удобрений в формировании урожая, а также оплаты 1 кг NPK продукцией от 1 к 6 ротации севооборота. В 7 ротации севооборота из-за сильной засухи 1998, 1998, 2001 гг. оплата удобрений урожаем оказалась на уровне 1 ротации (табл.2).

Таблица 2. Оплата 1 кг д.в. удобрений урожаем при длительном их использовании в севообороте, кг з.е.

Эффективность различных видов минеральных удобрений зависела от биологических особенностей культур, погодных условий, а также продолжительности их использования. Отмечается тенденция снижения с течением времени долевого участия в формировании урожая азота и возрастание роли калия. Так, если в первые 3 ротации калий по действию на урожай культур уступал азотным и фосфорным удобрениям, то в 4 и 5 ротации действие его было выше фосфора, а в 6 ротации калий оказался в первом минимуме.

В 1984 г после 16-летнего использования удобрений длительный стационарный опыт был закрыт и в течение 7 лет изучалось последействие ранее внесенных удобрений в севообороте: картофель - ячмень - вико-овес - пар - редька масличная - пар - однолетний люпин.

Установлено, что за 7 лет последействия удобрений дополнительно получено продукции от 17,7 до 57,8 ц з.ед./га или 2,5-8,2 ц з.ед./га в год. Если в прямом действии в севообороте окупаемость 1 кг питательных веществ удобрений составляла 5,0-8,8 кг з.ед., то с учетом последействия она увеличилась до 6,2-10,1 кг з.ед. (табл. 3).

Таблица 3. Сравнительная эффективность систем удобрений в прямом действии и последействии

Более высоким последействием характеризовалась органическая система удобрения. Прибавка урожая от последействия навоза была в 1,5-1,8 раза больше, чем по минеральной системе удобрений. За счет последействия навоза формировалось от 22 до 34 % урожая, минеральных удобрений - 14 - 25 %, сочетания органических и минеральных удобрений - 19 -27 %.

С учетом последействия различия в эффективности органической и минеральной систем удобрений при уровне удобренности N50P25K60 существенно снизились, а на повышенном фоне - полностью исчезли. При этом следует учесть, что за 7 лет наблюдений последействие удобрений, несмотря на легкий гранулометрический состав почв, не закончилось. Прибавка урожая от навоза в последний год учета достигала 5,9 ц з.е./га или 10 % от суммарной прибавки за весь период.

Влияние метеорологических условий на эффективность систем удобрений. Анализ многолетних данных показал, что при недостатке влаги действие органической системы удобрений на урожайность культур превышало минеральную. В условиях достаточной и повышенной влагообеспеченности эффективность органической системы оказалась ниже минеральной (табл. 4). Более высокая эффективность органической и органоминеральной систем удобрений в условиях недостатка влаги, по сравнению с минеральной системой, была обусловлена положительным влиянием органического вещества навоза на водно-физические свойства почв, которые не играли существенной роли в условиях оптимальной влагообеспеченности.

Таблица 4. Эффективность систем удобрений в севообороте в зависимости от условий увлажнения вегетационного периода (1968-2003 гг.)

Условия увлажнения особенно сильно отразились на эффективности азотных удобрений. В засушливые годы, прибавки урожая озимой пшеницы от азота были в 2,0-2,6 раза ниже, чем в годы с повышенным увлажнением; ячменя, соответственно, - в 2,2-4,3 раза; картофеля - в 2,8 раза.

В целом по севообороту при недостатке влаги максимальные прибавки урожая получены от внесения калийных, а во влажные годы - от азотных удобрений. При этом долевое участие азота в прибавке урожая увеличивалось с 32 до 53 %. По сравнению с несбалансированным внесением минеральных удобрений в виде NР или NК эффективность полного минерального удобрения была в меньшей степени подвержена отрицательному влиянию засухи (табл.5).

Таблица5. Эффективность различных видов минеральных удобрений в севообороте в зависимости от условий увлажнения вегетационного периода (1968-2002 гг.)

На основе сопряженного корреляционного и регрессионного анализов рассчитано уравнение зависимости продуктивности севооборота от доз внесения удобрений (NРК) и величины гидротермического коэффициента (ГТК):

У = - 30,30 + 99,81ГТК - 40,41ГТК² + 7,875 ^. 10^-2 NРК - 1,20 ^. 10^-4 NРК² + 3,71 ^. 10^-3 (ГТК х NРК) R = 0,928R² = 0,861

Отмечено положительное взаимодействие ГТК и доз удобрений, свидетельствующее об увеличении их эффективности в связи с ростом влагообеспеченности. Эти данные также говорят о возможностях существенного повышения урожайности сельскохозяйственных культур на легких дерново-подзолистых почвах при их орошении.

Влияние известкования почв на эффективность систем удобрений. Эффективность систем удобрений в значительной степени зависела от уровня кислотности почвы. На сильнокислой почве эффективность органической системы удобрений была выше минеральной, а при известковании - наоборот, прибавки урожая от использования минеральной системы удобрений были выше, по сравнению с органической. Это объясняется различным характером действия органических и минеральных удобрений на показатели кислотности почвы. За период проведения опыта с органическими удобрениями поступило от 2,1 до 4,2 т/га карбонатов в пересчете на СаСО₃, что способствовало снижению почвенной кислотности и более высокой эффективности органических удобрений на кислых почвах. В сумме за 16 лет оплата 1 т доломитовой муки урожаем составила 7,4 ц з.ед. на фоне без удобрений, 11,4 ц з.ед. - на фоне N50P50K60 и 16,0 ц з.ед. на фоне N100P50K120.

В длительном стационарном опыте № 2установлено, что применение высоких доз азотных удобрений на сильнокислой почве не только не способствует повышению урожайности культур, но из-за подкисления почвы, приводит к снижению их продуктивности. В среднем за 3 ротацию продуктивность севооборота при использовании N120 на фоне без известкования снизилась на 5,3 ц з.ед./га или на 26 %, в том числе подсолнечника - на 73 %, озимой пшеницы - на 12 %, кукурузы - на 16 %. Применение двойного суперфосфата снижало отрицательное влияние почвенной кислотности. Одностороннее применение калийных удобрений на кислой почве также вызывало депрессию урожая культур севооборота, особенно подсолнечника и кукурузы.

Обработка экспериментальных данных, полученных в 3 ротации севооборота, методом регрессионного анализа, позволила рассчитать уравнение зависимости продуктивности севооборота от доз минеральных, органических и известковых удобрений:

У= 17,50 + 0,695Р^0,5 + 2,670Н^0,5 + 12,511Са^0,5 + 0,038 (NР)^0,5 + 0,752 (NCa)^0,5 + 0,023(PK) ^0,5 - 0,782 (PCa) ^0,5 - 1,638 (HCa) ^0,5, R = 0,971, R² = 0,943,

где N, P, K - доза азотных, фосфорных и калийных удобрений, кг/га; Н - доза навоза, т/га; Са - доза доломитовой муки в единицах гидролитической кислотности.

Применение 10 т/га навоза на сильнокислой почве обеспечивало повышение продуктивности севооборота на 8,4 ц з.ед./га, а на произвесткованной - на 3,3 ц з.ед./га. Отмечено положительное взаимодействие азотных удобрений с известью и фосфорными удобрениями и калийных удобрений - с фосфорными удобрениями.

Влияние структуры севооборотов на эффективность удобрений.Обобщение данных, полученных в 5 полевых севооборотах, отличающихся различной насыщенностью бобовыми культурами, показало, что при низких дозах внесения удобрений наибольшую продуктивность пашни на дерново-подзолистых супесчаных почвах обеспечивают зернотравяные и зернотравянопропашные севообороты с высокой долей многолетних бобовых трав. За счет многолетних бобовых трав продуктивность севооборотов возрастала на 7,6 - 10,5 ц з.ед./га. С увеличением доз удобрений преимущество зернотравяных севооборотов утрачивалось, а наибольшую продуктивность обеспечивали зернопропашные севообороты (табл.6).

Максимальная продуктивность зернопропашного севооборота составила 50,7 ц з.е./га при внесении N180Р180К180 +навоз 15 т /га.

Установлено, что увеличение в севообороте доли бобовых культур на 10 % по действию на урожай равнозначно дополнительному внесению 15 кг/га азота минеральных удобрений в год. Указанная зависимость сохраняется, если доля бобовых не превышает 40 %.

Таблица 6. Эффективность удобрений в севооборотах различной специализации

* 236-270 кг NPK на 1 га

Качество урожая сельскохозяйственных культу при использовании различных систем удобрений. Удобрения слабо влияли на качество однолетнего люпина. Применение азотных удобрения оказывало положительное влияние на содержание азота и сырого белка в зерне озимой пшеницы и ячменя. По действию на содержание белка в зерне органическая и органоминеральная системы уступали минеральной (табл. 7).

Таблица 7.Влияние различных систем и видов удобрений на качество урожая (в среднем за 7 ротаций)

Анализ многолетних данных показывает, что зерно пшеницы, соответствующее по содержанию клейковины 1 классу, может быть получено только в экстремальные по погодным условиям годы (ГТК июля 0,2-0,6) и внесении 90-150 кг/га азота. Вместе с тем, в условиях засухи, когда происходит ускоренное формирование зерна, наблюдается ухудшение качества клейковины: гидратация достигает 215 %, упругость на приборе ИДК-1 - 80 ед. и более, при необходимой для 1-2 класса - 45-75 ед. Поэтому даже при использовании повышенных доз удобрений, качество зерна пшеницы не превышает 3 класса.

Применение минеральных удобрений способствовло увеличению выхода товарных клубней картофеля, однако при этом наблюдалось снижение содержания в них сухого вещества и крахмала, увеличение содержания нитратов и ухудшение вкусовых качеств. Установлена положительная роль фосфорных удобрений в снижении содержания нитратов в продукции.Действие органических удобрений на качество кулубней картофеля было сходно с действием минеральных удобрений: под влиянием навоза увеличивалась товарность картофеля, при этом наблюдалась тенденция снижения содержания в клубнях сухого вещества, крахмала, вкусовых качеств и увеличивалось содержание нитратов. Вместе с тем, при равной с минеральными удобрениями урожайности, отрицательное влияние органических удобрений на качество картофеля было выражено в меньшей степени. Органоминеральная система удобрений по действию на качество картофеля занимала промежуточное положение.

Эффективность удобрений в зависимости от почвенно-ландшафтных условий

Изучение пространственной неоднородности агрохимических свойств почв в агроландшафтном опыте № 1(опыт №8) показало значительное варьирование содержания в них питательных веществ в зависимости от рельефа, гранулометрического состава почвообразующих пород, предшествующего уровня агротехники. В пределах одного поля севооборота кислотность почвы характеризовалась 5 градациями рН, 3 - фосфора, 4 - калия, содержание гумуса различалось более чем в 2 раза. Наблюдалось закономерное снижение содержания гумуса, фосфора, калия и индекса окультуренности почв с увеличением мощности водно-ледниковых отложений и снижением содержания в них физической глины.

Одной из важнейших агроэкологических характеристик почв является их водный режим. Четырехлетние наблюдения (1998-2001 гг.) за водным режимом почв по элементам агроландшафта позволили установить, что на песчаных почвах расход влаги в расчете на единицу урожая в 1,5-2,2 раза выше по сравнению с супесчаными. Основной причиной этого является низкая водоудерживающая способность песчаных почв, что приводит к потерям влаги в результате инфильтрации в нижние горизонты. Исследованиями установлено значительное влияние почвенно-ландшафтных условий на урожайность сельскохозяйственных культур. Наибольший урожай всех культур севооборота получен на дерново-подзолистых автоморфных и слабоглееватых супесчаных почвах верхней части склона с уклоном около 1^о. Песчаные почвы были хуже всего обеспечены элементами минерального питания и влагой, в результате чего продуктивность севооборота оказалась в 2,1-2,3 раза ниже, по сравнению с супесчаными почвами.

Различные культуры неодинаково реагировали на изменение агроэкологических условий в агроландшафте. Из изучаемых культур более адаптированным для возделывания на песчаных разновидностях почв оказался однолетний люпин. Урожайность его на песчаных почвах составила 76-87 % от уровня урожайности, полученной на супесчаных. В то же время урожайность многолетних трав снижалась в 2,7-3,2 раза, озимой пшеницы - в 2,3-3,4 раза, ячменя - в 2,1-2,6 раза, картофеля в 2,2-2,3 раза.

В связи с недостатком влаги в вегетационный период 1998, 1999 гг. эффективность органоминеральной системы удобрений оказалась ниже запланированной. При этом наибольшая прибавка урожая от удобрений была получена на дерново-подзолистых супесчаных почвах. Применение удобрений на песчаных почвах оказалось неэффективным. Оплата 1 кг NPK на супесчаных почвах достигала 4,7 кг з.е., в то время как на песчаных она не превышала 1,5 кг з.ед. (табл. 8).

Таблица 8. Влияние почвенно-ландшафтных условий на эффективность удобрений (в среднем 1998 -2001 гг.)

НСР _0,95, ц/га фактор, рельеф 1,77 фактор удобрения 1,49

Почвы: П_1,2,3Р^Д - дерново-подзолистые супесчаные; П_1,2,3Р^ДСГ - дерново-подзолистые слабоглееватые, супесчаные; П_1,2,3Р^ДГ - дерново-подзолистые глеевые, супесчаные; П_{1,2,3 П}^Д - дерново-подзолистые песчаные; П_{2,3 П}^ДСЭ - дерново-подзолистые, песчаные слабоэродированные. Элементарные ареалы ландшафта: Э -элювиальный, ТЭ₁ - трасэлювиальный с уклоном до 1^о, ТЭ₂ - трансэлювиальный с уклоном 1 -2 ^о, Т - транзитный, ТА - трансаккумулятивный.

В агроландшафтном стационаре № 2 (опыт № 9), также отмечено значительное влияние гранулометрического состава и мощности водно-ледниковых отложений на агрохимические свойства почв и урожайность сельскохозяйственных культур. Исследования показали, что с увеличением содержания в почвах физической глины с 7,20 % до 15,71 % содержание гумуса в них возрастает в 3 раза, Р₂О₅ - в 1,6 раза, калия - в 1,5 раза, кальция и магния - в 1,9 раза, емкость поглощения - в 1,9 раза, индекс окультуренности - в 1,6 раза. Соответственно этому, продуктивность севооборота на дерново-подзолистых супесчаных почвах в 1,2-1,6 раза выше, по сравнению с дерново-подзолистыми песчаными почвами. При этом урожайность картофеля возрастала на 24-51 %, однолетнего люпина - на 6-46 %, ячменя - в 1,8-2,8 раза.

Для оценки отзывчивости сельскохозяйственных культур на возрастающие дозы удобрений на почвах различного гранулометрического состава использовали материалы длительных опытов, проведенных на бывшей Судогодской опытной станции ВИУА. В обощение включено 1794 наблюдений (вариантов опытов). На основе сгруппированных данных рассчитывали уравнения зависимости урожайности культур от доз внесения удобрений. При этом использовали преимущественно варианты с органоминеральной системой удобрений.

Полученные данные подтверждают установленные в 2 агроландшафтных опытах закономерности действия удобрений на дерново-подзолистых супесчаных и песчаных почвах. Установлено, что различия в продуктивности культур на супесчаных и песчаных разновидностях почв сохраняются независимо от дозы удобрений. Вследствие более сильного дефицита влаги на песчаных почвах, кривая роста урожайности культур от использования удобрений на этих почвах выходит на плато при значительно меньших дозах их внесения, чем на супесчаных.

Особенно это характерно для посевов яровых зерновых и многолетних трав, почти ежегодно испытывающих дефицит влаги. Так, увеличение дозы удобрений более 150 кг/га NPK на посевах ячменя и овса на песчаных почвах не сопровождается ростом урожайности, а в посевах многолетних трав максимум урожайности отмечается при дозе внесения удобрений 120 кг/га NPK. В то же время в посевах озимых зерновых культур, значительно лучше обеспеченных влагой, функции отзывчивости культур на возрастающие дозы удобрений на супесчаных и песчаных почвах были сходными. Различия в продуктивности картофеля на супесчаных и связнопесчаных почвах были существенно ниже, а в посевах желтого однолетнего люпина - несущественными.

На основе этих исследований, разработаны поправочные коэффициенты к продуктивности культур в зависимости от агроэкологических типов земель, которые могут быть использованы при планировании урожайности культур и расчете доз внесения удобрений (табл. 9).