Агробиологические аспекты повышения почвенного плодородия и трансформации агрофизических свойств почвы при возделывании многолетних трав в нижнем Поволжье (стр. 1 )

На правах рукописи

АГРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОВЫШЕНИЯ ПОЧВЕННОГО ПЛОДОРОДИЯ И ТРАНСФОРМАЦИИ АГРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВЫ ПРИ ВОЗДЕЛЫВАНИИ МНОГОЛЕТНИХ ТРАВ

В НИЖНЕМ ПОВОЛЖЬЕ

Специальность: 06.01.01 – общее земледелие

06.01.09 – растениеводство

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

доктора сельскохозяйственных наук

Волгоград 2008

Диссертационная работа выполнена в ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия» в 1992 – 2007 гг.

Научный консультанта – академик Россельхозакадемии, доктор с.-х. наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор с.-х. наук, профессор СГАУ

им.

доктор с.-х. наук, профессор

ВГСХА

доктор с.-х. наук, профессор Калмыцкого

ГУ

Ведущая организация: ГНУ «Нижне-Волжский научно-

исследовательский институт»

Защита диссертации состоится «31» октября 2008 г, в 1000 на заседании диссертационного совета Д 220.008.01 при ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия» г. Волгоград, пр. Университетский, 26, ВГСХА.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ВГСХА.

Автореферат разослан «____» _______________ 200__ года и размещён на сайтах: ________________________ и http://www. *****.

Учёный секретарь

диссертационного совета, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований: В современных экономических условиях для устойчивого развития сельскохозяйственного производства особое внимание уделяется разработке адаптивно-ландшафтного земледелия в условиях многоукладного сельского хозяйства. Поскольку все элементы системы земледелия (севооборот, обработка почвы, удобрения и др.) оказывают определённое влияние на биологические, агрофизические и агрохимические свойства почвы, поэтому необходим системный подход и к управлению почвенным плодородием.

Сохранение почвы и их фракций – задача чрезвычайно актуальная, но не имеющая до настоящего времени надёжного механизма её исполнения. Проблема восстановления и повышения продуктивности естественных экосистем и агроценозов не может быть решена без сохранения и восстановления экологических функций почв. В степных условиях засушливого Нижнего Поволжья при острейшем дефиците навоза возникает необходимость более полного использования других источников пополнения почв органикой для воспроизводства плодородия и повышения урожайности сельскохозяйственных культур.

Значительному обогащению почвы органическим веществом может способствовать, как показали исследования, возделывание многолетних трав, внесение соломы.

Несмотря на то, что за последние десятилетия площади орошаемых земель в Нижнем Поволжье значительно сократились, но проблема сохранения и повышения их плодородия, остаётся наиболее актуальной, так как практически на всех орошаемых системах региона отмечены прогрессирующая дегумификация зональных почв.

За последние 30 лет потери гумуса в чернозёмных, тёмно-каштановых, каштановых и светло-каштановых почвах Волгоградской области составили от 0,2 до 0,8 % и гумусовое состояние многих почв оценивается как критическое (, , 2004).

В данной ситуации особую значимость приобретают исследования по изучению влияния многолетних трав на плодородие, трансформацию агрофизических свойств почвы и урожайность зерновых и кормовых культур в последействии их пласта.

В Нижнем Поволжье подобных исследований проведено крайне недостаточно и изучение этого вопроса имеет важное научное и производственное значение.

Целью работы являлось исследование направленности почвенных процессов, теоретическое обоснование и разработка ресурсо-и энергосберегающей системы земледелия, основанной на возделывании многолетних трав и применении органических удобрений и соломы, способствующих повышению почвенного плодородия и агрофизических свойств почвы в зоне Нижнего Поволжья.

В задачу исследований входило:

- изучить направленность почвенных процессов под воздействием многолетних трав на светло-каштановых, каштановых и чернозёмных почвах;

- изучить особенности роста и развития многолетних трав на различных уровнях минерального питания и применения органических удобрений;

- выявить продуктивность многолетних трав в зависимости от уровня минерального питания и поступления в почву органического материала;

- исследовать влияние органического материала на активность симбиотической азотфиксации, биологическую активность почвы на посевах многолетних бобовых трав;

- установить влияние многолетних трав на урожайность и качество продукции последующих культур;

- провести оценку экотоксикологических аспектов содержания тяжёлых металлов в системе почва – растение в условиях различных агроландшафтов;

- дать теоретическое и практическое обоснование биологической совместимости возделывания многолетних трав в агроценозах;

- дать экономическую и энергетическую оценку возделывания многолетних трав на различных типах почв в зависимости от изучаемых приёмов агротехники.

Методической основой исследований явились положения изложенные в научных трудах академиков , ёва, , профессоров , , и др.

Научная новизна исследований состоит в теоретическом обосновании и изучении направленности почвенных процессов в севооборотах с длительным возделыванием многолетних трав. Исследовано влияние условий питания на рост, развитие и продуктивность многолетних трав, их влияние на урожайность и качество продукции последующих культур севооборота в различных почвенно-климатических зонах Нижнего Поволжья. Выявлена эффективность биологического и минерального азота при возделывании многолетних бобовых трав (люцерны, эспарцета) в различных почвенно-климатических зонах Нижнего Поволжья в богарном и орошаемом земледелии. Проведено определение уровней содержания тяжёлых металлов в растениях в зависимости от типов агроценозов. Дана экономическая и энергетическая оценка возделывания многолетних трав в богарном и орошаемом земледелии в зависимости от изучаемых приёмов агротехники.

Практическая значимость. Результаты проведённых нами научных исследований и производственный опыт показывают, что за счёт оптимальной структуры посевов многолетних бобовых трав в одновидовых и смешанных посевах можно приостановить дегумуфикацию почв, улучшить физические, физико-химические и микробиологические свойства почвы.

Значительному обогащению почвы органическим веществом способствует внесение соломы зерновых культур путём заделки её в почву. Это доступный, экологически чистый и дешёвый источник пополнения почв органическим веществом, что позволяет поддерживать почву в жизнеспособном, биологически активном состоянии.

Реализация результатов исследований. Разработанные для орошаемых и богарных условий агрокомплексы с участием многолетних трав по воздействию на плодородие и агрофизические свойства светло-каштановых и чернозёмных почв не уступают органическим удобрениям, что позволяет поддерживать почву в жизнеспособном биологически активном состоянии.

Результаты исследований включены в «Рекомендации по увеличению производства кормов в орошаемых землях», вошли составной частью в «научно-обоснованные системы ведения агропромышленного комплекса Волгоградской области».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и получили положительную оценку на региональных и международных научных конференциях (Волгоград, 1994, 1997, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008 гг; Саратов 2004 г, Пенза 2004, 2005, 2006 гг.; Калининград, 2005, 2006 гг, Москва 2004, 2005, 2006 гг.).

Публикация результатов исследований. Материалы диссертации опубликованы 37работах в республиканских и региональных изданиях. В рецензируемых журналах опубликовано 9 работ.

На защиту выносятся:

- оценка эффективности применения навоза и соломы на рост, развитие и продуктивность многолетних трав на орошении и их влияние на агрофизические свойства и плодородие светло-каштановых почв;

- последействие пласта многолетних трав на урожайность последующих культур севооборота;

- особенности роста и развития многолетних трав по годам и оценка длительности их возделывания на агрофизические свойства и почвенное плодородие чернозёмов;

- фотосинтетическая продуктивность сеяных агрофитоценозов многолетних трав, как основа формирования высоких урожаев;

- эффективность технологий основной обработки почвы при возделывании многолетних трав;

- влияние видового состава и продолжительности использования многолетних трав на содержание тяжёлых металлов в растениях;

- биоэнергетическая и экономическая эффективность возделывания многолетних трав на светло-каштановых и чернозёмных почвах Нижнего Поволжья.

Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 410 страницах компьютерного текста, содержит введение и 9 глав, выводы и предложения, список использованной литературы из 371 источников, в т. ч. 67 иностранных авторов.

Представленная работа является составленной частью плана научно-исследовательских работ Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии по целевой комплексной научно-технической программе № .

Доля личного участия диссертанта в получении и обобщении результатов исследований составляет 80 %.

Автор искренне признателен и выражает глубокую благодарность научному консультанту академику Россельхозакадемии, доктору с.-х. наук , доктору с.-х. наук , доктору с.-х. наук профессору за помощь и консультации при проведении исследований и оформлении диссертационной работы.

Глубокая благодарность администрации академии за создание благоприятных условий при проведении исследований и оформлении диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Условия и методика проведения исследований. Решение основных задач, связанных с разработкой и совершенствованием технологии возделывания многолетних трав в орошаемых и богарных условиях и их влияние на плодородие и агрофихические свойства почв зоны исследований проводились в экспериментальных севооборотах, развёрнутых в пространстве и времени. Стационарные опыты были заложены по следующим схемам:

Опыт 1. Влияние навоза и соломы на агрофизические свойства и плодородие светло-каштановых почв и урожайность люцерны в условиях орошения (1992…1995 гг). Варианты опыта: Контроль (б/у); Солома 10 т/га; Навоз 60 т/га; Навоз 60 т/га + солома 10 т/га.

Посев подпокровный, покровная культура – овёс, норма высева – 3,0 млн. всхожих семян на гектар, сорт Льговский 1026.

Люцерна – сорт Ленинская местная, норма высева – 9,0 млн. всхожих семян на гектар.

Повторность опытов во времени – трёхкратная, в пространстве - четырёхкратная, площадь опытной делянки 225 м2. Размещение вариантов систематическое, последовательное.

Режим орошения с предполивным порогом влажности почвы % НВ в слое 0 – 70 см. Поливы осуществлялись широкозахватной машиной «Кубань ЛК».

Опыт 2. Последействие пласта люцерны и органических удобрений на урожайность и качество зерна последующих культур севооборота (1996…1997 гг.).

В опыте изучалось последействие пласта люцерны 2-х и 3-х летнего срока пользования на урожайность и качество зерна озимой пшеницы и кукурузы.

Опыт 3. Влияние продолжительности использования многолетних трав на плодородие и агрофизические свойства чернозёмных почв (1998…2002 гг). Варианты опыта: Люцерна; Эспарцет; Люцерна + эспарцет; Кострец безостый; Люцерна + Эспарцет + Кострец.

Способ посева: весенний подпокровный, покровная культура – овёс, норма высева овса – 2,5 млн. всхожих семян на гектар.

Люцерна посевная – 5,0 млн. всхожих семян на гектар, сорт Артемида, эспарцет песчаный – 5,0 млн. всхожих семян на гектар, сорт Песчаный 1251, кострец безостый – 6 млн. всхожих семян, сорт Моршанский 760.

В смеси норма высева по 50 % каждого компонента от нормы высева в одновидовом посеве.

Варианты применения удобрений: фон – солома 5 т/га + N30 под основную обработку, контроль (б/у), Р90 под основную обработку, N30 под предпосевную культивацию под посевы первого года, во второй и последующие годы N30 весной при отрастании.

Повторность во времени 2-х кратная, в пространстве 3-х кратная, размещение систематическое, площадь делянок 180 м2. Предшественник - озимая пшеница.

Опыт 4. Эффективность биологического и минерального азота в посевах многолетних бобовых трав в богарных условиях (1998…2002 гг.).

Исследования эффективности инокуляции семян проводили на вариантах опыта 1. Применяли влажную обработку семян перед посевом ризоторфином.

В опыте 4 влияние инокуляции на рост, развитие и формирование симбиотического аппарата изучали в посевах люцерны и эспарцета на вариантах опыта 3 по фону питания - солома 5 т/га + N30, контроль (б/у), Р90, N30.

Опыт 5. Продуктивность многолетних трав в одновидовых и смешанных посевах в зависимости от способов основной обработки почвы (2003…2007 гг).

Варианты обработки почвы: 1. Отвальная обработка на 25…27 см (ПЛН-4-35); 2. Обработка АПК-6 (18…20 см); 3. Обработка БДМ-6 (10…12 см).

Способ посева: весенний подпокровный под овёс (2,5 млн. всхожих семян на гектар), под основную обработку Р90, норма высева люцерны – 5,0 млн. всхожих семян/га, эспарцета – 5,0 млн. всхожих семян/га, костреца безостого – 6,0 млн. всхожих семян/га. В смеси норма высева по 50 % каждого компонента от нормы высева в одновидовых посевах.

Повторность во времени – 2-х кратная, в пространстве 3-х кратная, размещение систематическое, площадь делянок – 300 м2. Предшественник - озимая пшеница.

Опыт 6. Влияние видового состава, условий вегетации, продолжительности использования многолетних трав на содержание тяжёлых металлов в растениях (2005…2007 гг.).

Для всесторонней оценки конечных результатов на всех вариантах опыта проводились следующие наблюдения и исследования: фенологические наблюдения за ростом и развитием, определение основных показателей фотосинтетической деятельности растений в посевах, полноты всходов и сохранности растений по годам жизни, влажности почвы и структуры водопотребления. Накопление корневых остатков, учёт засорённости, изменение агрофизических показателей почвы в зависимости от продолжительности использования травостоя многолетних трав и способов основной обработки.

Наблюдения за формированием клубеньков, оценку биологической активности и токсичности почвы проводили по методике , , .

Учёт урожая, питательность корма, питательный режим почвы в посевах изучался по основным вариантам, путём отбора растительных и почвенных образцов. Содержание нитратов с реактивом Лунге-Грисса, аммония – с реактивом Несслера, фосфора – по , калия – в 1%-ной углеаммонийной вытяжке методом пламенной фотометрии.

Наличие тяжёлых металлов в растениях устанавливали методом атомно-адсорбционного анализа МИ 2295-94 (спектр 5).

Математическую обработку экспериментальных данных проводили методом дисперсионного анализа по Б. А Доспехову на ПЭВМ.

Энергетическую эффективность технологии возделывания культур проводили по методике ВИК (1983), методических рекомендаций ВАСХНИЛ и РАН (М., 1983, 1989), методических рекомендаций кафедры растениеводства и кормопроизводства ВГСХА (2000).

Экономическую эффективность разработанной технологии выращивания многолетних трав проводили на основе фактических затрат с использованием методики ВГСХА (2004).

Полевые опыты с многолетними травами проведены на зональных светло-каштановых и чернозёмных почвах. Светло-каштановые почвы характеризуются малой мощностью гумусового горизонта, содержание гумуса 1,52 – 1,76 %, общего азота (0,11 – 0,17 %). Обеспеченность почв подвижным фосфором 3,5 – 5,4, обменного калия – 27,5 – 32,0 мг/100 г почвы. Реакция почвенного раствора в пахотном слое близка к нейтральной (рН 7,0 – 7,4), ёмкость катионного обмена – 26 – 30 мг. экв. на 100 г почвы.

Плотность сложения почвы для слоя 0,0 – 1,0 м – 1,37 т/м3. Общая пористость пахотного слоя от 51,1 до 57,7 %, наименьшая влагоёмкость для слоя 0,0…1,0 м – 19,6 %, НВ для слоя 0…0,7 м – 21,5%, влажность завядания для слоя 0…1,0 м – 8,02 % от абсолютно – сухой почвы.

Южный чернозём характеризуется более мощным гумусовым горизонтом пахотного слоя (0…0,32 м), содержание гумуса – 2,90 – 3,15 %, обеспеченность подвижными формами Р2О5 – 18,0 – 24,5 мг/кг почвы, калием от 310,0 до 390,0 мг/кг. Емкость катионного обмена – 32,0 – 34,5 мг. экв на 100 г почвы, плотность сложения для пахотного слоя почвы 1,15 – 1,20 т/м3, в подпахотном – 1,22 – 1,25 т/м3. Общая пористость пахотного слоя 53,8-54,5 %. Влажность завядания для слоя 0…1,0 м – 13,5 % от абс. сухой почвы.

Климатические особенности полупустынной и сухостепной зон Нижнего Поволжья проявляются в резком дефиците атмосферных осадков и повышенном радиационном и термическом режимах территории.

По расчётам (1987) территория зоны исследований располагает значительными радиационными ресурсами (17,24…20,8·109 КДж фотосинтетически активной радиации) и тепловыми (∑t ≥ 10оС = 2700…3600оС), продолжительным периодом вегетации (155…183 дня).

Возможность и полнота исследования энергетических ресурсов на формирование урожая определяется степенью влагообеспеченности территории.

По годам исследований осадки распределялись неравномерно – от 233,7 мм (1994 г), до 553,5 мм – 541,1 мм (1997, 2001 гг.), при среднемноголетнем значении – 307,0 мм, при испаряемости 800 – 1200 мм.

Неравномерно также выпадали осадки по сезонам и месяцам, что определяло их значимость в богаре и особенно в период вегетации (апрель - сентябрь).

Влияние навоза и соломы на рост, развитие, урожайность люцерны и агрофизические свойства светло-каштановых почв при орошении. На современном этапе одним из условий стабилизации кормопроизводства и биологизации земледелия является расширение площадей под многолетними травами. Наиболее распространена в регионе в условиях орошения люцерна посевная, так как она характеризуется более продуктивным долголетием и высокой питательностью.

Получение оптимальной густоты травостоя является важным условием высокой продуктивности по годам жизни. В опытах люцерна высевалась с нормой высева 9 млн. всхожих семян под покров овса (3,0 млн. всхожих семян), который убирался на зелёный корм.

Из факторов жизни, как показали исследования, наибольшее влияние на полевую всхожесть оказывали влажность верхнего слоя почвы (0…0,05 м) и температура почвы, в меньшей степени – удобрения.

Полнота всходов на контроле (б/у) по годам исследований составляла от 47,4 до 62,7 %, на варианте солома – 10 т/га от 42,3 до 63,1 %, на варианте навоз – 60 т/га от 50,5 до 65,6 %. Более высокая полнота всходов характерна для условий, когда в период посев – всходы выпадали осадки. Продолжительность периода посев – всходы по вариантам опыта составляла от 11 до 13 дней, при сумме положительным температур от 171,7оС до 196,9оС.

Условия вегетации и режим использования люцерны в первый год жизни во многом определяют её сохранность и продуктивное долголетие в последующие годы.

В технологии возделывания подпокровных посевов люцерны особое внимание должно уделяется срокам уборки покровной культуры и это особенно проявляется в формировании урожая люцерны в последующих укосах.

Плотность стояния растений люцерны к концу первого года порядка 400 – 436 шт/м2 обеспечивает высокую продуктивность в последующие два года (табл. 1).

1. Урожайность зелёной массы люцерны по годам жизни, т/га

Годы	Варианты
Бес удобрений	Солома – 10 т/га	Навоз – 60 т/га	Навоз – 60 т/га + солома – 10 т/га
1	2	3	4	5
Первый год жизни
1992	40,2	40,1	55,1	59,5
1993	38,3	36,2	53,1	58,4
1994	52,4	49,7	62,8	67,5
среднее	43,6	42,0	57,0	61,8
НСР05т/га	1992 г. – 1,47	1993 г. – 1,29	1994 г. – 1,53
Второй год жизни
1993	59,7	62,3	72,9	75,1
1994	63,0	65,2	76,3	79,3
1995	60,4	63,0	71,4	74,8
среднее	61,1	63,5	73,5	76,4
НСР05т/га	1993 г. – 1,67	1994 г. – 2,11	1995 г. – 1,82
Третий год жизни
1994	40,5	44,1	48,6	53,1
1995	39,5	43,0	46,1	50,9
среднее	40,0	43,5	47,4	52,0
НСР05т/га	1994 г. – 2,11	1995 г. – 1,82

Проведённые исследования позволяют выделить причины, ведущие к снижению жизнедеятельности, ослаблению и выпадению растений люцерны из травостоя. Это, во-первых, изменение внутренних условий в неблагоприятную сторону под влиянием падения потенциала жизнеспособности растений в процессе онтогенетического развития, во-вторых, влияние факторов экзогенного характера приводящих к ослаблению растений под влиянием приёмов эксплуатации (подпокровный посев, интенсивный режим использования в первый год жизни, поздние сроки проведения последнего укоса, уплотнение почвы). Учёт отмеченных факторов и управление отмеченными процессами с учётом биологических особенностей культуры формировать высокоурожайные травостои, позволяет сохранять высокую продуктивность люцерны в условиях орошения до 3-х лет. Так, урожайность зелёной массы в первый год жизни при проведении трёх укосов составила по вариантам от 43,6 т/га (контроль), до 61,8 т/га (навоз + солома). На травостоях второго года при четырёх укосах урожайность зелёной массы была наиболее высокой и достигала от 61,1 т/га (контроль), до 76,4 т/га (навоз + солома). В посевах третьего года урожайность зелёной массы снижается до 40,0 т/га на контроле и до 52,0 т/га на варианте навоз 60 т/га + солома 10 т/га.