Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Изменение агрохимических и физико-химических свойств дерново-подзолистых почв Московской области при интенсивной химизации

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Изменение агрохимических и физико-химических свойств дерново-подзолистых почв Московской области при интенсивной химизации"

лп РГб 0Д РГ6 ОД

* и Г ' • м --Г-'Т

■ч П '

' 'МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ЕЛЬСКОХОЗЯИСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени К. А. ТИМИРЯЗЕВА

На правах рукописи >

КОЛЕСОВ Александр Иванович

УДК 631.4.631.445.24

ИЗМЕНЕНИЕ АГРОХИМИЧЕСКИХ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ почв

МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ ПРИ ИНТЕНСИВНОЙ ХИМИЗАЦИИ

Специальность 03.00.27—почвоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА 1993

Работа выполнена на Московской областной проектно изыскательской станции химизации сельского хозяйства I кафедре ночноведения Московской ордена Ленина и орденг Трудового Красного Знамени сельскохозяйственной академш имени К- А. Тимирязева.

Научный руководитель — доктор сельскохозяйственны: наук, профессор Савич В. И.

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственны: наук, профессор Дерюгин И. П., доктор биологических наук профессор Соколова Т. А.

Ведущее учреждение — Почвенный институт им. В. В. До кучаева.

Защита диссертации состоится 7 июня 1993 г. в 14 час на заседании специализированного совета К 120.35.0! в Московской сельскохозяйственной академии имени К. А Тимирязева.

Адрес: 127550, г. Москва, И-550, Тимирязевская ул., 49 Ученый совет ТСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА.

Автореферат разослан 6 мая 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета — кандидат биологических наук

и^Ъ^) в_ Вильям»

I. ВВЕДЕНИЕ

Интенсивное ведение сельскохозяйственного производства, получение высоких урожаев рри хорошем гачестве продукции возможно только при правильном, наиболее эффективном использовании почв. Одним из важных разделов этой проблемы является совершенствование почвенно-агрохимической службы, почвеяяо-агрохимических исследо- . вадий..Система методов, используемая в настоящее время на практике для анализа уровня плодородия почв, поиска факторов, лимитирующих урожай, отстает от вопросов сельскохозяйственного производства при интенсивном его ведении, что снижает экономическую эффективность химизации сельскохозяйственного производства, использования земель. В связи,с этим разработка методологии и методов оценки изменения агрохимических и физико-химических показателей почв в процессе интенсивного сельскохозяйственного использования представляет несомненный теоретический и практический интерес.

Цель д задачи исследований. Целью исследования являлись разработка и апробация на почвах Московской области системы методов ■ оценки изменения агрохимических и физико-химических показателей почв в процессе интенсивного сельскохозяйственного использования;

оценка основных направлений изменения агрохимических и физико-хи-___

мических свойств почв Московской области под влиянием существующей системы земледелия. В качестве основных задач были поставлены следующие: I) разработка особенностей оценки уровня плодородия почв Московской области с использованием сводного показателя качества почв; 2) разработка методики статистической оценки взаимосвязей-агрохимических и физико-химических свойств почв; 3) разработка методики оценки изменения свойств почв вблизи гранул внесения удобрений с использованием методов химической автографии; 4) оценка возможности использования методов химической автографии агрохимической службой, разработка путей стандартизации методик;

5) оценка о использованием предлагаемых методик тенденций изменения агрохимических и физико-химических свойств почв Московской области при существующем уровне интенсификации производства;

6) оценка некоторых особенностей кислотно-основного равновесия иооледуемых почв и расчзт потребности почв в извести с учетом разработанных теоретических положений.

В работе доказывается, что существующая в настоящее время система почвенно-агрохимического обслуживания должна быть дополн£ на: I) анализом "живых" почв в полевых условиях; анализом системь почва-растение; 2) прогнозом изменения свойств почв, состояния экологической системы в целом при применении удобрений и малиораь тов; 3) оценкой оптимальных свойств почв с учетом всех взаимосвязей в системе ночва-растение-окружающая среда.

Научная новизна работы. В диссертационной работе предлагается система методов %яя оценки изменения свойств почв при интенсивной химизации. Предложенная система при увеличении степени детализации включает: I) оценку уровня плодородия почв с помощьп сводного показателя качества почв; 2} оценку взаимосвязей агрохимических и физико-химичбских овойств почв для определения эконом! чески обоснованных'-уровней рН, гуадсированности с целью оптимизации других параметров вочвенйого плодорлдия; 3) оценку взаимодействия удобрений и мелиорантов с почвой в полевых условиях с испо. эованием'йвтойов химической автографии; 4) оценку состояния "жив< системы почва-растение при внесении удобрений ■ мелиорантов с использованием методов химической автографии на оонове электролиза ионитовых мембран, ионселективных электродов. Впервые разработан] способы стандартизации метода химической автографии с целью.испо. эоваяия ее в агрохимической службе. Показана перспективность дан] го метода; для оценки изменения свойств почв на разном удалении от зоны внесения удобрений. В работе предложена и апробирована комплексная оценка кислотно-основного равновесия почв. Предлагав

зя потребность почв в известковании оценивать не только по рН среда и степени насыщенности почв основаниями, но и по появлению в почве при различных значениях рН токсичных концентраций Ре, Мп, М, содержании подвижных форм макро- и микроэлементов питания, /ровню гумусированности, оструктуренности, по влиянию рН и параметров с ним взаимосвязанных на экологическое равновесие.

Практическая значимость работы> Показана перспективность ^пользования в практической деятельности для оценки состояния точва-растение новых методов исследования - анализа корреляционных взаимосвязей агрохимических и физико-химических свойств почв, новых вариантов методов химической автографии.' Материалы комплексной оценки кислотно-основного равновесия использованы для расчета цоз извести на примере хозяйств и районов Московской области. Показаны основные закономерности изменения агрохимических и физико-гамических свойств почв Московской области при существующем уровне интенсификации производства.

Апробация работы. Положения диссертационной работы изложены . за ШТК "Проблемы повышения плодородия почв в условиях интенсивного земледелия". - М.: ЦИНАО, 1988 г.

Некоторые результаты исследований использованы при создании трограммных комплексов по формированию базы данных агрохимической информации и разработке проектов на применение средств химизации в гозяйствах Московской области. Научно обоснованные объемы и ассортимент известковых удобрений, а также методические указания по их :рименению приняты к исполнению в планирующих и исполнительных эрганах Московской области.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано [О работ, в том числе методические указания по использованию известковых удобрений в сельскохозяйственном производстве Москов-

ской области. - M.: ВИУА, I99Q.

Объем и оургуктура работы. -Диссертационная работа состоит из введения.,У глав, заключения и выводов. Содержит 186 страниц маши-вописного текста, включая 48 таблиц и 2 рисунка. Список использований литературы включает 128 работ, в том числе 17 на иностранных языках. Приложение состоит из 14 таблиц и 22 рисунков. «

Объекты и методика исследования. Исследования проведены в таежно-лесной зоне Средне-Русской провинции дерново-подзолистых почв, В Московской области. Углубленному исследованию подвергались дерново-подзолистые почвы разной степени гидромор$ности, эродиро-ваннооти, окультурвнности учхоза "Михайловское" Подольского района совхоза "Восход" Наро-Фоминского района, совхоза "Ильинское-Усово" Красногорского района, совхоза "Куликовский" Дмитровского района, относящиеся к основным агроклиматическим районам Московской обдаст;

В соответствии с поставленной задачей в работе проведен анализ агрохимических и физико-химических свойств почв Московской области по данным агрохимических исследований I984-I99Q гг. В резудь тате обобщения и статистической обработки материала выбраны характ ристические объекты исследования, на которых поставлены ыикрополе-вые и модельные опыты, проведено углубленное исследование свойств почв, разработаны новые принципы и методики оценки состояния систе мы почва-растение, в условиях интенсивной химизации сельскохозяйст венного производства. В полевых условиях проведено заложение разре зов и идентификация почв; сняты химические автограмыы системы почва-растение на основе электролиза и ионитовых иаыбран. Поставлены ыикрополевые опыты по оценке изменения свойств почв на разном расстоянии от зоны внесения удобрений в глубину почвенного профиля и по горизонтали.

В лабораторных условиях проанализированы химические автэграм-

мы системы почва-растение, проведено потенциометрическое титрование почв в кислотно-основном интервале, оценена активность ионов Ш>3, К, Са с использованием ионселективных электродов рН, ЕЙ-. Проведен анализ агрохимических и физико-химических■свойств исследуемых почв общепринятыми методами. Определение концентрации Са, М<|, Ре, Мп, Си, Ы{,, Х-п в почвенных растворах и элюатах химических автограым выполнено на атомном абсорбционном спектрофтометре, К - на пламенном фотометре, Р2О5 - колориметрически. Разработана программа обобщения и анализа данных почвенно-агрохимических ис- . следований. Кроме того, в обработке полученных данных использовались программы , -^И^Я» ^^ вычислительного центра ЫСХА. В соответствии с поставленной задачей, на Московской областной проектно-изыскательской станции химизации сельского хозяйства разработан и внедрен программный комплекс для персональных электронно-вычислительных машин, позволявший автоматизировать расчет агрохимических и физико-химических показателей, с выдачей минимального и максимального значения показателя, его среднего значения, среднего квадратичного отклонения, коэффициента вариации, а также гистограмм распределения показателей по группам обеспеченности. На них по оси абсцисс приводятся абсолютные значения показателей {% содержания гумуса, подвижного Р2О5 и т.д.), по оси ординат -число интервалов и средние значения в них показателей. Направленность культурного почвообразовательного процесса оценивается о помощью сводного показателя качества почв. Проведена статиотическая обработка всех полученных данных. Принятий уровень вероятности Р - О 95

' * ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ . ,

Изменение агрохимических и физико-химических свойств почв Московской области в процессе сельскохозяйственного использования, по данным трех туров агрохимических исследований. -

Применение общепринятых методов статистической обработки мас--5-

совых данных агрохимического обследования почв позволяет более объективно описать' совокупность показателей, характеризующих почвы того или иного хозяйства, провести сравнение результатов по турам (циклам) обследования). Представление информации в графическом виде позволяет вскрыть ошибки при отборе образцов и их анализе, наглядно увидеть закономерности изменения свойотв почв. Информативными являются и величины коэффициентов вариации признаков, величины коэффициентов ассиметрии и эксцесса, указывающие на неоднородность массива, направленность процессов окультуривания и обоснованность внесения удобрений и.мелиорантов. В табл.1 приведены данные по изменению агрохимических и физико-химических свойств почв Московской обл. по данным 3-х туров агрохимических обследований. Как видно из •представленных материалов, с 1984 по 1991 гг. при существующем уровне химизации и интенсификации сельскохозяйственного производства, отмечается стабилизация содержания гумуса, некоторое увеличение показателя рН, повышение содержания подвижных форм фосфора и калия. В то хе время остаются тысячи гектаров почв с низким содержанием гумуса, подвижных форм фосфора и калия, большой кислотностью, как следствие недостатков в планировании и использовании оредотв хими-

аадаи- . Таблица I

{

Изменение агрохимических и физико-химических свойств почв Московской области

Дата ; ■обследования

1%С1

!

мгЛОО г

Тумус, %

на 1.01.84 на 1.01.87 на 1.01.91 % площадей о

на 1.01.84 на 1.01.87 яа 1.01.91 % площадей с на 1.01.84 на "1,01.87 на 1.01.91

5.4

5.5

5.6 РНКС1 <4,0

0,1 0,2 0,2 рнки >6.о

9.7 13,8 23,6

15,3 17,9 20,8 Р205 <2,5 0.8 0,6 0,5 Р205>25.9 15,3

24.6

36.7

14,3 14,8 16,0 К20 <4,0

0,8 1.2 0,7 К20 >25.0 6,6 7,0 9,2

2.4 2 4 2,4 гуцус <1,4

10,2 5,8 9,0 1УМУС > 4,0 6,2 6,6 8,0 ,

Неоправданно избыточное внесение удобрений и мелиорантов привело к повышении на некоторых площадях рН, содержания подвижных форм фосфора и калия, г^мусированности выше оптимального, а иногда и допустимого уровня. По полученным данным, вариационные ряды агрохимических показателей почв не всегда описываются нормальной кривой распределения Гаусса. Ряд изменений свойств почв, происходящих при окультуривании, в результате протекания почвообразовательных процессов, при внесении удобрений и мелиорантов выявляется довольно отчетливо при вычислении таких характеристик ' кривых, как средняя квадратичная ошибка, коэффициент варьирования, показатели ассиметрии и эксцесса, нормированное отклонение. Расчеты доз удобрений не могут быть проведены только на основании -средних арифметических величин. Необходим анализ вариационных кривых показателей с учетом процента почв, обладающих той или иной степенью выраженности показателей, степени обеспеченности элементами питания. В работе, для проведения такого анализа, использовано построение гистограмм. В то же время вариационные кривые дают возможность предсказать и дальнейшее изменение плодородия почв. Так, например, в одном из хозяйств Щелковского района среднее значение обеспеченности почв подвижным фосфором составило в 1985 г. 38,2 мг/100 г почвы, а в 1989 - 5Г,4'мг/100 г почвы. В то же время в результате применения фосфорных удобрений минимальное значение содержания РзОд увеличилось с 3,6 до 14,0 мг/100 г почвы, уменьшились абсолютные показатели среднего квад-ратического отклонения и коэффициента вариации. В почвах хозяйства происходит накоплении подвижного фосфора, так, в группе 47,3-70,3 мг/100 г почвы находится 45,9$ всей пашни хозяйства, а в груйпе 70,5-93,6 мг/100 г почвы еще 21,82. Это говорит о нерациональном использовании фосфорных удобрений в хозяйстве, кроме

того, на наш взгляд, такое распределение средневзвешенных показателей по интервалам указывает на необходимость введения дополнительных групп по содержанию фосфора в почве, о целью выявления зафосфаченных площадей, где чрезмерное содержание фосфора оказывает негативное влияние на подвижность ряда микроэлементов. Анализ гистограмм позволяет выяснить и недостатки в известковании почв. Так, например, в совхозе "Восток" Щелковского района, за время с 1985 по 1989 гг. произошли незначительные изменения в структуре распределения почв пашни по кислотности, что отражает и статистические показатели.- Несколько увеличился коэффициент вариации о 6% до 9% и среднеквадратичное отклонение с 0А% до 0,55?. Среднее значение уменьшилось с 5,6 до 5,3, минималь-

ное значение с 4,8 до 4,3, максимальное значение увеличилось о 5,6 до 6,1. В то же время за указанный промежуток времени в хозяйстве появилось 1,9% почв с т 4,03^4,36; 9,3% почв о Р%Я " 4,36-4,69, что свидетельствует о недостатках в планировании известкования. С точки зрения почвоведения, подобные расчеты имеют ряд существенных недостатков, так как не отражают различных изменений конкретных почв, развитых на определенных элементах.ландшафта, породах и т.д. В то же время они дают возможность проследить общую картину изменений свойств почв при принятом уровне.интенсификации производства.

Оценка" уровня плодородия почв с помощью

сводного показателя качества почв (СПКП)

Использование для оценки уровня плодородия почв нескольких агрохимических, физико-химических и т.д. показателей не всегда позволяет однозначно судить о направленности почвообразовательного процесса, поскольку одни из этих показателей мог^т увеличиваться, другие - уменьшаться, третьи оставаться на одном уровне.

Так, например, в Щелковском районе за 1985-1989 гг. уровень кислотности почв пашни остался на одном уровне: рНкИ =5,6, содержание подвижного фосфора возросло с 31,9 до 37,9 мг/ЮО г почвы, а содержание обменного калия с 14,5 до 18,6 мг/100 г почвы," показатель гидролитической кислотности (Нг) возрос с 2,2 до 2,3 мг-экв/100 г почвы, степень насыщенности почв основаниями (У, %) увеличилась о 75,2$ до 77,5%, а содержание гумуса уменьшилось с 3,0% до 2,6%.

Используемая в нашей работе модель сводного показателя качества почв (СПКП) предназначена для информационного обеспечения управления плодородием почв и его качественной оценки (Гринченке Т.А., 1986).

Расчеты СПКП в разрезе хозяйств Щелковского района проведены на основе результатов 2-х туров (1982-1985 гг.) агрохимического обследования почв с учетом следующих оптимальных и критических параметров оптимизации почвенного плодородия: рНкС1 = 6,5 и 3,5; Нг => 0,5 и 4,5 мг-экв/100 г почвы; Р205 => 28,0 и 20 мг/ЮО г почвы; К£0 « 240 и 20 мг/ЮО г почвы; гувдс = 4,0 и 0,5%; степень насыщенности почв основаниями (У) = 98 и 50$. Показано, что для решения задач с несколькими зависимыми переменными перспективно .использование так называемой "функции желательности", под которой понимают тот или иной желательный уровень параметра оптимизации. По этому методу требуется все показатели (х) преобразовать так (У), чтобы наилучшему значению определенного показателя соответствовала единица, а наихудшему - нуль. Исходя из принципа желательности использованы следующие функциональные преобразования отдельных параметров оптимизации уровня почвенного плодородия (свойств почв: агрохимических, физико-химических, микробиологических и т.д.) :

В уравнении XI- исходный, уь- преобразованный показатель свойства почвы, аь- оптимальное, Вь- наихудаее значение показателя, "к" и "п" - коэффициенты преобразования, которые подбираются из соответствия промежуточных уровней показателей х и у. Далее вычисляется среднее геометрическое уже преобразованных показателей - отдельных параметров оптимизации

СПКП « ^УгУг-Уз ... У«, Это и будет искомый сводный показатель качества почвы (СПКП), который является единственным параметром оценки уровня плодородия почвы взамен многих. При постоянстве к « 5 и в »3, когда среднему значению почвенного показателя соответствует примерно среднее значение преобразованного уровня, для любого набора свойств почв получается следствие: предложенный СПКП эквивалентен среднему геометрическому нормированных показателей. СПКП обладает достаточной гибкостью, из него можно получить все остальные сводные показатели в виде частных случаев. Несмотря на недостатки данного показателя, обусловленные тем, что не все свойства почв в одинаковой степени определяют урожай, относительность, оптимальных свойств для отдельных условий среды, типов, родов, видов и разновидностей почв, мы считаем целесообразным его использование для обобщенной оценки плодородия. В работе определен сводный показатель качества почв для районов Московской области. В одних районах (Балашихинский, Ногинский, Шаховской, Наро-Фоминский, Красногорский) уровень плодородия почв с 1985 по 1989 год возрос, в других упал СДмитровский, Ступинский, Подольский). Однако несмотря на объективность СПКП, он не дает развернутой, углубленной оценки изменения свойств конкретных почв в процессе их сельско-

хозяйственного использования, поскольку агрохимические свойства характеризуют статические параметры почвенного плодородия, а не процессы и режимы и оптимум одних показателей зависит от величины других показателей, которые не постоянен.

Корреляционная зависимость между агрохимическими и физико-химическими свойствами почв

Одним из путей прогноза взаимодействия удобрений и мелиорантов с почвой и изменения при этом взаимосвязей в почве является оценка корреляционных зависимостей между агрохимическими и физико-химическими показателями свойств почв, по данным агрохимического ■ обследования почв. Вычисление указанных зависимостей позволяет оценить направленность изменения свойств почв данного поля, хозяйства, почв разных типов, гранулометрического состава и т.д. при принятой системе земледелия и наметить пути более эффективного использования удобрений и мелиорантов.

Особенность расчета состоит в разбивка всей совокупности тлеющихся данных по хозяйству на классы по одному из параметров, внутри классов на подклассы по другому параметру при дальнейшем ■ вычислении для каждого подкласса среднеарифметических значений интересующих нас признаков, зависящих от первого и второго параметров. Результаты представлены в виде сводных таблиц зависимости одного параметра от других. По каждому из обследованных хозяйств имелось от 150 до 300 смешанных образцов почвы, проанализированных _ по стандартным методикам агрохимической службы России. В анализ взяты хозяйства с преобладанием дерново-подзолистых среднесугли-нистых почв.

По полученным данным, увеличение в почве показателей рН более 6,0 соответствует увеличению содержания подвижных фосфатов, калил, кальция. В то же время увеличение гумусированности более 3% часто соответствует уменьшению подвижности этих элементов, очевидно, в связи с их блокировкой. Наглядно это проявляется в отношении подвижности фосфатов.

Таблица 2

Взаимосвязь содержания подвижных фосфатов ь почвах и рН средь.

1%С1

Гу|р

д Р2О5 мг/кг/ А рн

п

!

Ш

4,6-5,5

5.5-6,6

1-2 2-3 >3

1-2 2-3

>3

39,0 16,8 -38,9

59,0 98,5 30,0

150,1 64,0 -116,6

79,4 ■69,4 -213,7

164,0 17,5 -27,4

164,0 170,0 12,0

I - совхоз "Вперед", П - колхоз "Путь Ленина", Ш - совхоз "Куликовский"

Изменение содержания подвижных форм фосфора на единицу изменения рН отличается для разных хозяйств, полей, почв. Очевидно, о точки зрения улучшения фосфатного режима, известкование более аффективно там, где величина ДР2О5/ДРН наибольшая. В то же время, как видно из данных таблицы, при увеличении гумуса более 3$, по данным статистической обработки с увеличением рН содержание подвижных фосфатов уменьшается. Этот факт, очевидно, требует даль нейшего изучения, но уже сейчас должен учитываться при использовании средств химизации.

Оптимальное состояние агрофитоценозов нарушается как при недостатке, так и при избытке элементов питания. По полученным нами данным, зафосфачивание почв приводит к уменьшению содержания подвижных Си, Ни, Хп, а избыточное количество калия - к уменьшению подвижного Са, уменьшению гумусировиниости.

Очевидно, что вычисление корреляционных зависимостей между свойствами почв по данным агрохиьлческих обследований,во-первых, констатирует существующие взаимосвязи, а не сбъясняет их причину. Так, например, уменьшение содержания перв/чных фосфатов при увелу.

Таблица 3

Взаимосвязь, содержания калия и кислотности, содержания Са, з^муса в дерново-подзолистых почвах колхоза "Путь Ленина"

К^О, мг/кг | ; *%аг ] 1уцуо. % | Са:К, мг-экв/100 г

10-150 5,4 2,0 20

151-300 5,2 1.7 8

>300 6,0 1.6 4

чении гумуса может быть обусловлено и тем, что почвы большей гу-мусированности это почвы и большей степени гидроморфности, нижних частей склонов, депрессий. Уменьшение содержания подвижных фосфатов при этом в большей степени обусловлено не увеличением содержания химуса, а увеличением содержания фосфатов железа, алюминия и т.д. В то же время данные агрохимических исследований не позволяют проводить вычисления указанных взаимсвязей для отдельных компонентов структуры почвенного покрова. Все это осложняет интерпретацию данных, однако полученные материалы показывают информативность и практическую значимость вычисления предлагаемых регрессионных зависимостей. Очевидно, они должны рассчитываться для отдельных типов почв, элементов ландшафта, и отличаются для разных интервалов показателей. Дополнительную, необходимую в условиях интенсивной химизации, информацию о состоянии почв дают данные модельных опытов по взаимодействии удобрений и мелиорантов с почвой. Во избежание негативных последствий в отдельных компонентах агрофитоценозов эти процессы должны прогнозироваться.

Оценка изменения свойств'почв на разном удалении от зоны внесения удобрений и мелиорантов

Изменение свойств почв на разном удалении от зоны внесения удобрений и мелиорантов неоднозначно. Вблизи центра зоны внесе-" ния удобрений отмечается 'большая степень насыщенности почз вно-

симыы компонентом, более вероятно его скрытое отрицательное действие на почву, растение, другие компоненты экосистемы. По полученным данным, вблизи зон внесения аммиачной селитры (ЫН^МОд), хлористого калия (КС1), суперфосфата отмечалось значительное изменени подвижности К. Са, Ре, Мл, Си.Хп, ЫО3, НН4, а также рН и среды. Величина изменения и скорость распространения изменения химических свойств почв от центра зоны внесения удобрений были пропорциональны буферным свойствам почв. Применение методов химической автографии на основе электролиза и ионитовых мембран позволило установить изменения, происходящие на разном расстоянии от центра зоны внесения удобрений, динамику процесса, что позволяет прогн< зировать эффективность средств химизации и регулировать процесс поступления элементов питания в растения. Пример таких данных приве-. ден на рис.1.

С нашей точки зрения, данные модельных и микрополевых опытов по оценке изменения свойств почв на разном расстоянии от зоны внесения гранул удобрений дают дополнительную информацию о возмогших изменениях свойств почв при интенсивной химизации сельскохозяйственного производства. В го же время для прогнозирования ряда процессов необходимо их физико-химическое моделирование.

Комплексная оценка кислотно-основного состояния почв

Как показали исследования, прогноз изменения свойств почв Московской области при их сельскохозяйственном использовании, в первую очередь должен проводиться с учетом изменения,кислотно-основного состояния почв. Это подтвердили как данные статистической обработки материалов агрохимических исследований, так и данных микрополевых опытов. С нашей точки зрения, перспективно физико-химическое моделирование процессов изменения подвижности ионов в почво в зависимости от рН среды. В работе показана возможность такого прогноза с использованием диаграмм растворимости осадков Ре, Ып, Си, Но, фосфатов в зависимости от рН среды (Воробье- 14 - •

РИС.1

ИЗМЕНЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ВОДОРАСТВОРИМЫХ СОЕДИНЕНИЙ КАТИОНОВ В ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЕ, ВБЛИЗИ ГРАНУЛ УДОБРЕНИЙ, мг/л

К

N03 Са

Ре

12.2±1.9

56.Ш6.4

263.4 ±413 311.7 ± 60.0

ксе

191.3 ¿95.3

Зи±8.2

24.5 ±2.9 "51.7 + в.2\

ш! \л >

Са(НгРЙ)г-2Са804

25.6 + 4.0

0.30 ±0.18

I

0,09 ±0.02

ва Л.А., 1989) на основании расчета эффективных произведений растворимости возможных в конкретных почвах осадков. В то же время для целей прогноза целесообразно использование и простой в исполнении методики оценки содержания в равновесном растворе концентраций изучаемых элементов при доведении рН суспензии почв до различных значений. Показана возможность появления в исследуемых почвах при низких значениях рН токсичных концентраций Мп, А1, а на загрязненных тяжелыми металлами почвах - Рв. Нами установлено, что буферность почв в кислотно-основном интервале различна в определенных интервалах рН и зависит от состава поглощенных катионов. Доказывается, что оптимум рН определяется всеми свойствами почв, условиями среды и требованиями сельскохозяйственных культур. Расчет доз извести должен проводиться для разных почв по альтернативным методикам - для изменения рН до заданного уровня, для коагуляции коллоидов, осаждения Ре, Мп, А1, тяжелых металлов, для создания заданного соотношения Са:К, улучшения азотного и фосфатного режимов почв. Наиболее полную информацию о состоянии системы почва-растение и о путях ее оптимизации дает изучение "живой" системы в "полевых" условиях. В работе доказывается перспективность такой оценке при агрохимических исследованиях.

Оценка изменения свойств почв при сельскохозяйственном, использовании по данным исследования системы почва-растение в полевых условиях

Исследования "живой" системы почва-растение в полевых условиях позволяет оценить современные почвообразовательные процессы. В то же время только совокупный анализ и почв и растений позволяет иметь наиболее точную информацию о недостатке или избытке отдельных элементов для роста и развития сельскохозяйственных куль- 16 -

тур. В диссертации, для оценки состояния системы почва-растение использованы методы химической автографии на основе электролиза и ионитовых мембран. Анализировались почва, прикорневая зона, корни, стебли, листья на почвах разной степени гидроморфности, окультуренности, эродированности в посевах полевых культур хорошего и угнетенного состояния. На примере ряда хозяйств проведено . сопоставление данных содержания подвижных форм N.. Р, К, полученных с использованием традиционных методов агрохимической службы и с использованием метода химической автографии. Для стандартизации метода химической автографии предложено построение калибровочных графиков на прибор по стандартным образцам почв ЦИНАО. Применение разработанных методик позволило установить для исследуемых почв факторы, лимитирующие урожай. Пример определения приведен в табл.4.

Таблица 4

Содержание подвижных катионов в дерново-подзолистой почве совхоза "Восход" под посевами трав

1 | Е^, мв 1 | Са | М, | Са | Щ | Л ! Мп

¡мг-экв/ЮО г ! ; мг/л

Плохое состояние трав

7,7+ 119± 10,1± 2,0+ 26, Э± 4,9± 5,3+ од±

0,3 9,8 1,0 0,5 3,1 0,5 2,3 од

Хорошее состояние трав

7,6± 140+ 10,1+ 1,9± 37,0+ 7,5+ 0,5+ 0,0

0.1 ОД ОД ОД 5,7 0,8 0,3

Как видно из представленных материалов, почва под посевами угнетенного состояния отличается большим содержанием подвижных соединений Ре, Мп, меньшим Са, М^. Угнетение растений обусловлено узким отношением (Са+М^):(?е+Мп) в почве. Такое явление отмечается для дерново-подзолистых, особенно избыточно увлажненных почв осо-

наиболее часто. В то же время при избыточном известковании и внесении удобрений отмечается высокая концентрация в почве и в растениях Са, недостаток Мп, Си, . Так, например, на участке использования интенсивных технологий выращивания кукурузы, в совхозе "Восход" соотношение Са:Ро в почве, корнях, стеблях было в посевах угнетенного состояния, соответственно: 1357,6^474,6; 60,4+14,0; 82,5, а в посевах хорошего состояния 848,0+284,7; 39,4+7,5; 139,9. Избыток в почве Са приводил к лучшему поступлению Са из почвы в корни, но к более слабому его поступлению из корней в листья. Нарушение процессов метаболизма приводило и к уменьшению поступления Ее из корней в стебли и листья. По полученным данным, информативным является и содержание положительно и отрицательно заряженных -соединений е почве и растениях, градиент их концентрации между почвой и корнем, корнем и стеблем, стеблем и листьями; соотношение положительно и отрицательно заряженных соединений. Сопоставление данных об изменении агрохимических и физико-химических свойств почв Московской области при их сельскохозяйственном использовании, полученных комплексом методов, позволяет отметить положительные и отрицательные тенденции изменения плодородия почв на современном этапе.

Изменение агрохимических и физико-химических свойств почв Московской области при их сельскохозяйственном использовании I. В результате интенсивного использования средств химизации на почвах Московской области в 1984-1993 гг. содержание 17-му са в пахотном горизонте стабилизировалось на уровне 2,4#; показатель рНкс1 выроо от 5,4 до.5,6; увеличилось содержание подвижных форм фосфора и калия; возрос сводный показатель качества почв. 2. В то же время, интенсификация сельскохозяйственного производства не устранила, а усилила дифференциацию почв по их плодоро-

даю. Наряда с некоторым уменьшением площадей почв с очень низкой обеспеченностью фосфором и калием, гумусированностыо, сильно кислой реакцией среды, значительно возрос процент площадей с избыточным содержанием фосфора, калия, 17цуса, переизвесткованных. 3. Неоправданно высокие дозы извести и удобрений, применяемые в отдельных хозяйствах в запас, наряду с уменьшением,экономической эффективности их применения, загрязнением сельскохозяйственной продукции и грунтовых вод, приводят к появлению скрытого отрицательного действия удобрений'и мелиорантов на почву. Установлено уменьшение подвижных фосфатов при увеличении гумуса более уменьшение содержания подвижных Си, !бг, /Л при рН > 6,5 и содержании подвижных форм фосфора более 25 мг/100 г почвы; снижение гумусированности при содержании обменного калия более 30 мг/100 г почвы и более 5% от емкости поглощения; изменение в неблагоприятную сторону отношения Са:К, как при переизвестковании почв, так и при содержании калия более 30,0 мг/100 г почвы. Применение высоких доз торфа привело к увеличению гидролитической кислотности, а использование осадков сточных вод способствовало накоплению тяжелых металлов в почвах. 4. Скрытое отрицательное действие удобрений на почву, биоту, растения проявляется не только при высоких дозах удобрений, но и при оптимальных дозах вблизи гранул удобрений. Концентрационная волна интенсивно и неоднородно распространяется по вертикали и горизонтали от зоны внесения удобрения, в зависимости от буферных свойств почв, водного режима и дозы на расстояние 5-10 см. При этом о некоторым запаздыванием изменяются и свойства почв. При применении физиологически кислых удобрений установлено подкисление почв, увеличение подвижных Ре, А1, Мп, миграция из зоны внесения удобрений К, Са,.М^, цумусовых соединений. При применении калийных удобрений отмечается увеличе-

ние дисперсности и уменьшение водопроницаемости, уменьшение соотношения Са:К, миграция гумусовых соединений. Применение фосфорных удобрений приводит к образованию как осадков фосфатов Са, М^, Ре, Мп, Си, Н1, Ъпг. так и к образованию их положительно заряженных комплексных соединений. Совокупный эффект проявляется на разных ■ почвах неоднозначно. 5. Действие низких и высоких концентраций элементов питания и токсикантов в почве и в растении проявляется и идентифицируется лучше на "живых" объектах с использованием методов химической автографии на основе электролиза и ионитовых мембран, ионселективных электродов, при анализе градиента концентрационного потенциала в системе почва-корень, корень-стебель, стебель-листья. Полученные материалы по анализу изменения агрохимических и физико-химических свойств почв Московской области при их сельскохозяйственном использовании необходимо учитывать в разработке систем применения удобрений и мелиорантов и в других областях Нечерноземной зоны России.

Результаты данной работы учтены при проектировании и внедрении программного комплекса (ПК) "Поле" на базе персональных электронно-вычислительных машин (ПЭВМ); при разработке ПК "Смета" для составления проектно-сметной документации на химическую.мелиорацию; при разработке алгоритмов расчета потребности почв Московской области в известковых материалах.

ВЫВОДЫ

I. Для оценки изменения агрохимических и физико-химических показателей почв в процессе интенсивного сельскохозяйственного использования рекомендуется применять комплекс методов, включая математический анализ взаимосвязей между свойствами почв (по данным агрохимических обследований); оценку состояния "живой" системы почва-растение, с применением методов химической автографии;

оценку изменения свойств почв в очагах внесения удобрений в полевых условиях.

2. Изменение свойств почв в процессе интенсивного сельскохозяйственного использования в значительной степени обусловлены изменением кислотно-основного равновесия почв. Выделяются статические и динамические параметры кислотно-основного состояния, процессы и-режимы. Оптимальные параметры кислотно-основного состояния почв различаются для почв (отдельных процессов, режимов), растений, других компонентов экосистемы. Они определяются сочетанием овойств почв, экологическими особенностями культур и должны оцениваться для системы почва-растение. Необходима многовариантность расчета доз извести для оптимизации показателя рН, коагуляции коллоидов, оптимизации подвижности элементов питания и токсикантов, биологической активности, соотношения элементов питания.

3. Для почв Московской области о уменьшением степени кислотности отмечается увеличение гумусированности, "суммы поглощенных оснований, содержания подвижных Р, К, Ре, Мп, Си, степени насыщенности почв основаниями. В то же время при изменении рН^щ в сторону нейтрального интервала в отдельных случаях наблюдается уменьшение подвижности Мп, Си, Ы1, Р, снижение гумусированности, изменение в неблагоприятную сторону соотношения Са:К. Характеристичным и информативным для почв являются показатели Д Р2О5/А рН;

Д гумус/А рН; •дМе/дрН. Статистически установлено в ряде случаев уменьшение подвижности фосфатов при содержании гумуса более 3,0$; уменьшение содержания гумуса при содержании обменного калия более . 30,0 мг/100 г почвы.

4. Для оценки обеспеченности почв элементами питания перспективно характеризовать состояние соединений, ионов в системе почва-растение методами химической автографии на основе электролиза и

в

ионитовых мембран. Методы обладают достаточной воспроизводимостью и точностью, результаты, полученные этими методами, коррелируют с данными традиционных агрохимических анализов. Предлагается ' . - 21 -

использование методов химической автографии с применением калибровочных графиков при вытеснении ионов из стандартных образцов почв ЦШАО указанными и стандартными методами. Диагностику состояния растений с использованием методов химической автографии необходимо проводить в ранние фазы развития растений. Показана информативность для оценки состояния растений соотношения положительно и отрицательно заряженных соединений катионов, их доли в почве, корнях, стеблях и листьях, градиента концентрационного потенциала между органами растений.

5. При внесении удобрений и мелиорантов свойства почв в наибольшей степени меняются вблизи гранул внесения, что хорошо идентифицируется методами химической автографии и ионоселективных электродов. Показано волновое распределение компонентов удобрений и мелиорантов в почве от зоны их внесения, а также соответствующее перераспределение водорастворимых и подвижных соединений элементов питания и токсикантов. Вблизи гранул внесения удобрений может проявляться скрытое отрицательное действие удобрений. Установлено, при внесении ЫН4НО3 наблюдается .увеличение до токсичных значений концентраций водорастворимого Мп, Ре; при внесении КС1 - увеличение калия в.ППК до уровня, вызывающего диспергирование почв. Ширина фронта миграции удобрений была ниже на почвах с большей емкостью поглощения.

6. Анализ изменения свойств почв пашни Московской области с 1984 по 1991 годы свидетельствуют о статистической стабилизации, при существующей системе удобрений и ведении хозяйства, содержания гумуса (средневзвешенный показатель - 2,4$); увеличении средневзвешенного содержания фосфора от 15,3 до 20,8 мг/ЮО г почвы; средневзвешенного содержания калия от 14,3 до 16,0 мг/ЮО г почвы; повышении сводного показателя почв с 63,2 до 68,3 баллов.

В то же время имеется 0,2$ почв (2,5 тнс.га) очень сильнокислых и 23,6$ почв с рН более 6,0. Очень низкое содержание подвижного фосфора характерно для 0,5$ почв; очень высокое - более 25,0 мг/100 г почвы для 36,7$ почв (420 тыс.га). Очень низкое содержание калия характерно для 0,7$ почв; очень высокое для 9,2$ (105,8 тнс.га).

7. Разработка и внедрение программного комплекса "Поле" для персональных компьютеров на Московской областной станции химизации позволило ежегодно экономить 25-30 тыс.руб. (в ценах на

I.01.1990 г.), улучшить качество агрохимической информации, сократить ее объем, в несколько раз повысить производительность труда при камеральной обработке результатов.

8. Корректировка в сторону уменьшения объемов известкования, принятая по рекомендации авторов в Московской области, позволила получить ежегодный экономический эффект в размере 3,4 млн.руб. $в ценах на I.01.1990 г.).

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Колесов А.И. Анализ материалов почвенно-агрохимического обследования. В сб.: Тезисы докладов ВНТК "Проблемы повышения плодородия почв в условиях интенсивного земледелия". - М.: ВДНАО, 1988. - С.2-3.

2. Колесов А.И. Разработка проектно-сметной документации на известкование кислых почв. - М.: ВО "Агропромиздат"// Химизация сельского хозяйства. - 1991. - А 2. - С.25-26.

3. Колесов А.И. Авторский надзор за исполнением проектов хи-' мической мелиорации почв. М:В0 "Агропромиздат" // Химизация сельского хозяйства. - 1992. - № 3. - С.51-52.

4. Колесов А.И., Патрина Н.И. Использование персональных компьютеров в агрохимической службе. М:В0 "Агропромиздат". // Химиза-

ция сельского хозяйства. - 1992. - № 4. - С.72-73.

5. Савич В.И., Трубицина Е.В., Наумова Л.М.. Колесов А.И. Анализ системы почва-корни-стебли-листья для оценки факторов, лимитирующих урожай // Агрохимия. - 1991. - S 2. - С.52-64.

6. Савич В.И., Трубицина Е.В., Колесов А.И. Корреляционные зависимости между содержанием подвижных форм фосфора, калия, микроэлементов и физико-химическими свойствами почв // Изв.ТСХА. -1992. - «4. - С.66-74.

7. Савич В.И., Сидоренко О.Д., Ванькова A.A., Гнангенон Николас, Колеоов А.И. Влияние длительного возделывания риса на 0В-режим и состояние соединений Ca, M<j, Ре', Мп в лугово-черноземной почве // Агрохимия. - 1990. - № 2. - С.74-80.

8. Савич В.И., Трубицина Е.В., Колесов А.И. Агрохимическая оценка кислотно-основного равновесия почв // Изв.ТСХА. - 1993.

9. Шильников И.А., Мельникова М.Н., Колесов А.И. Научное обоснование потребности известковых удобрений // Химизация сельского хозяйства. - 1992. - » 4. - С.19-21.

10. Шильников И.А., Колесов А.И., Башкин В.Н., Васильева Г.К. и др. Использование известковых удобрений в сельскохозяйственном производстве Московской области. - Методические указания ВИУА, 1990. - 67 с.