Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Агроэволюция черноземов Воронежской области в различных режимах использования

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Евтушенко, Татьяна Юрьевна, Воронеж

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ К.Д. ГЛИНКИ

На правах рукописи

ЕВТУШЕНКО Татьяна Юрьевна

АГРОЭВОЛЮЦИЯ ЧЕРНОЗЕМОВ ВОРОНЕЖСКОЙ ОБЛАСТИ В РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук по специальности 06.01.03 - "агропочвоведение"

Научный руководитель - доктор сельскохозяйственных наук, профессор В.И. Воронин

Воронеж - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ......................................................5

1. ПРОБЛЕМА АГРОЭВОЛЮЦИОННОГО ИЗМЕНЕНИЯ ЧЕРНОЗЕМНЫХ ПОЧВ

(аналитический обзор научно-технической информации).......11

1.1. Изменение показателей почвенного состояния при ранней диагностике......................................23

1.2. Изменение показателей почвенного состояния при краткосрочном диагностировании...........................30

1.3. Изменение показателей почвенного состояния при долгосрочном диагностировании...........................37

1.4. Временной прогноз почвенного состояния...............46

2. МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДЫ АГРОЭВОЛЮЦИОННОГО ВЫЯВЛЕНИЯ

ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ТИПИЧНОГО ЧЕРНОЗЕМА.............49

2.1. Методологические основы выявления агроэволюционного изменения черноземов.................................49

2.2. Критерии выбора объекта исследований.................57

2.3. Характеристика объекта исследования .................62

2.4. Выбор контролируемых показателей.....................70

2.5. Методика проведения исследований....................72

3. АГРОЭВОЛЮЦИОННОЕ ИЗМЕНЕНИЕ ЧЕРНОЗЕМА ТИПИЧНОГО В РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ.................................81

3.1. Межвегетационные изменения кислотности почв под влиянием культур звеньев севооборота и доз удобрений..................................................81

3.2. Поведение поглощенных оснований в различных режимах использования типичного чернозема....................88

3.3. Валовой химический состав типичного чернозема при длительном сельскохозяйственном использовании........91

3.4. Изменения валового гумуса под влиянием культур звеньев севооборота и доз удобрений.................93

3.5. Изменения гидролитической кислотности под влиянием культур звеньев севооборота и доз' вносимых удобрений..................................................99

3.6. Межвегетационные изменения подвижных форм фосфора и калия...............................................103

3.7. Состояние почвенной равновесности типичного чернозема..................................................112

3.8. Химический состав органов растений..................114

3.9. Содержание клетчатки в растениях на разноудобренных вариантах опыта.....................................122

3.10. Аминокислотный состав зерна ячменя и яровой пшеницы.... .............................................124

3.11.Влияние химического состава растительных остатков на процессы трансформации органического вещества типичного чернозема......................................128

4. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ АЛГОРИТМА ФИКСАЦИИ ГОДОВОГО ИЗМЕНЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТИПИЧНОГО ЧЕРНОЗЕМА...135

4.1. Механизм и направленность изменения содержания в почве валового гумуса...............................135

4.2. Механизм и направленность изменения содержания в почве подвижного фосфора и обменного калия..........153

5. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ АГРОЭВОЛЮЦИОННОГО ИЗМЕНЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ТИПИЧНОГО ЧЕРНОЗЕМА..............................157

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ........................................166

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............................169

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................198

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В настоящее время антропогенное изменение окружающей среды стало соизмеримо по масштабам с действием природных факторов, а в районах с высокой сельскохозяйственной нагрузкой - превышает их.

В результате чего нарастающее влияние интенсификации сельскохозяйственного производства, 83%-ной (местами до 93%) распа-ханности территории, частота взаимозаменяемости элементов систем воздействия приводит к тому, что становится все труднее и труднее вычленить, оценить роль конкретного приема, вклада почвы в ре-зультатирующий признак - продуктивность территории, понять механизм вариабельности отдельных функциональных показателей черноземных почв.

Вовлечение почвенного покрова в интенсивное сельскохозяйственное использование оказывает существенное влияние на свойства всех типов почв. По всем регионам отмечены: прогрессирующее снижение гумуса, изменение площадей по обеспеченности элементами питания, подкисление, декальцинация и другие нежелательные процессы. По данным Государственного центра агрохимической службы "Воронежский" в настоящее время площадь кислых черноземных почв достигла 755 тыс. га. Площадь пашни на 1996 год с содержанием гумуса > 9% всего лишь 8,6 тыс. га, 4 - 6% - 1223,1, <4% - 402,2 тыс. га. Процессы декальцинирования охватывают районы с освоенными севооборотами и с апробированными системами земледелия. Все это предопределяет необходимость изучения механизма происходящих процессов в почве с целью своевременного их регулирования и управления ими.

- б -

Возникает необходимость оценки последствий агротехнических приемов не только при длительном использовании пашни, но и в более короткие временные отрезки. Проблема раскрытия механизма преобразования текущего состояния почвы становится все более актуальной. Дальнейшее эффективное использование таких угодий затруднено ввиду отсутствия знаний годового изменения показателей кратко- и долгосрочной диагностики черноземных почв в стадии стабилизации. В этих условиях необходимо иметь методическую основу и научно обоснованные прогнозы годового изменения показателей кратко-и долгосрочной диагностики черноземных почв. Отсюда вытекает актуальность познания механизма поведения показателей кратко- и долгосрочной диагностики черноземных почв и путей их регулирования в более сжатые временные отрезки.

Цель исследований - установить в фазе стабилизации чернозема типичного краткосрочное (1-3 года) агроэволюционное изменение его функциональных свойств.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

- разработать методическую основу краткосрочного (1-3 года) агроэволюционного выявления изменений показателей кратко- и долгосрочной диагностики чернозема типичного;

- определить пределы годовых изменений под культурами звена севооборота (валовый гумус, рНКсЪ подвижное и валовое содержание 13 элементов) в различных режимах использования чернозема типичного;

- установить влияние текущего изменения типичного чернозема на качественные показатели получаемой продукции (аминокислотный состав зерна, содержание "сырой" клетчатки);

- разработать методические основы алгоритма (компьютерное

выполнение) фиксации агроэволюционного изменения свойств чернозема типичного от возделываемой культуры;

- провести прогноз агроэволюционного изменения химического фонда почвы.

Научная новизна исследований. Для краткосрочного (1-3 года) агроэволюционного выявления функциональных показателей чернозема типичного разработана методическая основа определения пределов выявления краткосрочных (до 3 лет) антропогенных изменений компонентов почвенного состояния, основой которых является годовая величина сформированной биомассы и характер ее использования (отчуждение, остатки, разложение и химический состав). Эти изменения выявляются при следующих условиях: 1 - если почвенные процессы уже приобрели направленное стабилизированное состояние (в проводимом стационаре к 1994 - 1996 годам среднегодовое изменение валового гумуса составляет в верхнем горизонте по вариантам - без удобрений ( 0,098, 0,096, 0,094%) ; с двойной дозой минеральных удобрений ( 0,071, 0,070, 0,070)%; с органо-минеральными удобрениями (0,058, 0,057, 0,056%)); 2 - от вида культур и их процентного насыщения. Влияние чередования культур в двух звеньях севооборота и их насыщенность (зерновые - 50%, пропашные - 33,3%, зернобобовые - 16,7%) обеспечивают полученной общей годовой биомассы культур (зерно, стебли, корни) при годовым отчуждении товарной части с поля у ячменя - 61,5%, яровой пшеницы - 61,7%, гороха -66,5%, кукурузы на силос - 84,4%, сахарной свеклы - 94,9%; 3 - от величины удаления биогенных элементов с отчуждаемой биомассой. По вариантам эксперимента такое удаление составляет по ячменю от 864 до 1272 зольных элементов и от 182 до 299 кг/га NPK, что приводит к последующему изменению величин кислотности, гумуса, валового

состава 13 элементов, поглощенных кальция и магния и других показателей в почве; 4 - от остаточного количества в почве растительных остатков предшественников и их химического состава. Учет этого, наряду с выше изложенным, позволяет понять и расчленять формирование урожайности у очередной культуры с высокой (г = 0,928 -0,945) надежностью при соблюдении научно обоснованного чередования культур и снижением такой связи (г = 0,594 - 0,395) по вынужденно измененным предшественникам (горох на черный пар, озимая пшеница на ячмень); 5 - выявление изменений величин химических элементов (подвижное, валовое состояние) в почве можно осуществить, если вычленить наложение на их величины вносимых веществ (удобрения, осадки и др.); 6 - требуется разработка специальных аналитических методов по разделению величины почвенных и ежегодно вносимых компонентов.

Защищаемые положения.

1. Разработанные методические основы агроэволюционного преобразования показателей кратко- и долгосрочной диагностики типичного чернозема позволяют выявлять в краткосрочных (за 1 - 3 года) опытах изменение содержания 13 элементов, гумуса, кислотности и разрабатывать прогнозы почвенного состояния во времени.

2. Полученные пределы агроэволюционного изменения показателей кратко- и долгосрочной диагностики типичного чернозема за краткосрочный (1 - 3 года) период могут быть положены в основу алгоритмов и программ прогнозных оценок для современных компьютерных технологий.

3. Предлагаемая компьютерная технология позволяет контролировать состояние среднеустойчивых показателей почвы с точностью до 5%.

Практическая значимость работы. Использование методических подходов позволяет установить годовые изменения функциональных свойств типичного чернозема в стабилизированном состоянии в зависимости от вида культур в севообороте, их процентного насыщения, доли поступления растительных остатков в почву, характера использования биомассы, что можно рекомендовать для исследований в производственных и научных учреждениях.

Предложен алгоритм (в компьютерном варианте) расчета годового изменения содержания валового гумуса, подвижного фосфора, обменного калия в зависимости от чередования культур в севообороте и урожайности основной продукции с точностью 1-5%, который используется в учебном процессе по курсам: "Виогеохиия агроландшаф-тови, "Регулирование плодородия почв", "Почвоведение" и т. д.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации были изложены на международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов (1995), ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава, молодых ученых и специалистов Воронежского агроуниверситета (1995, 1996, 1999), научно-практической конференции, посвященной 150-летию со дня рождения В.В. Докучаева (1996), а также на научно-учебно-методических семинарах на кафедре почвоведения Воронежского госагроуниверситета им. К.Д. Глинки. По материалам диссертации опубликовано 8 работ.

Диссертационная работа выполнялась в период 1994 - 1997 г г. в соответствии с темой кафедры почвоведения Воронежкого госагроуниверситета им. К.Д. Глинки, государственный номер 01.96.0015985 "Формирование устойчивых агроэкосистем и повышение плодородия почв на основе эффективного использования природно-ресурсного по-

тенциала" (раздел 6.2).

В работе использовались материалы, полученные лично автором, а также совместно с аспирантами и дипломниками кафедры почвоведения под руководством доктора сельскохозяйственных наук, профессора В.И. Воронина. Автором проведен сбор полевого материала, выполнена экспериментальная работа, теоретическое обобщение и выводы из проведенных исследований.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю профессору В.И. Воронину, заведующему кафедрой почвоведения, профессору В.Д. Иванову, сотрудникам кафедры почвоведения, сотрудникам кафедры агрохимии Воронежского госагроуниверситета и НИИСХ ЦЧП им. В.В. Докучаева за предоставленную возможность провести исследования, а также коллективу лаборатории массовых анализов Воронежского агроуниверситета под руководством В.И. Толо-конникова, коллегам, студентам-дипломникам кафедры почвоведения.

1. ПРОБЛЕМА АГРОЭВОЛЮЦИОННОГО ИЗМЕНЕНИЯ ЧЕРНОЗЕМНЫХ ПОЧВ (аналитический обзор научно-технической информации)

С целью выявления характера и направленности протекания почвенных процессов важно знать эволюцию ландшафтов и почвенного покрова. Выделяют четыре стадии существования черноземных степей: доантропогенная (чисто природная), номадная (стадия с нерегулярным земледелием), стадия экстенсивного земледелия, техногенная (или современная) стадия. Эти стадии не только сменяли друг друга во времени, но и начиная со второй, каждый раз чередовались в пространстве (Крупеников, 1983; Воронин, 1989).

Первой примитивной системой земледелия была залежная или переложная. При этом после распашки целины высевались зерновые культуры в определенной последовательности. В первый год сеяли лен, просо, на второй - пшеницу, на третий - ячмень и овес, на четвертый - рожь. Урожай культур резко снижался на бедной почве через 4 - 5, а на плодородной через 5-7 лет, и участок отводился под перелог. Происходила смена растительности, восстанавливалось плодородие почвы, участок снова становился целиной. На этот процесс требовалось 20 - 25 лет. При этой системе использовалось под посевы 15 - 20% пахотных угодий.

Отведение земли под перелог было связано с переездом семьи на другое место, освоением нового участка и т. д. A.B. Советов (1950) писал по этому поводу: "Поэтому есть право думать, что только нужда, горькая нужда, недороды ..., болезни и ..., вынуждали его бежать от старой кормилицы - земли, им же самим обессиленной неразумной культурой, и искать нового, неистощенного пристанища".

Прерывистость в возделывании культур при переложной системе земледелия являлась результатом бессменного возделывания на одном месте зерновых культур, близких по биологическим особенностям. В результате чего почва засорялась множеством сорняков, в ней накапливались зачатки болезней и вредителей растений.

В условиях низкого уровня развития производительных сил, примитивной технологии возделывания культур, отсутствия удобрений, при ограниченном наборе культур сильно проявлялось отрицательное влияние монокультуры на состояние почвы.

В дальнейшем переложная система эволюционировала в паровую, в которой перелог был заменен чистым паром. Главной особенностью этой системы было чередование пара с зерновыми культурами, появилась возможность использовать под посевы 66% пашни. Чистый пар при правильной его обработке за один год снимал отрицательное влияние на почву монокультуры зерновых. Парование обеспечивало очищение поля от сорной растительности, вредителей и болезней, восстановление в почве запаса доступных питательных веществ, влаги, более полное разложение негумифицированных растительных остатков, восстановление микробоценозов, устранение токсичности почвы и др. (Сидоров, 1978).

Переход от одной стадии (стадии существования черноземных степей, о чем говорилось выше) к другой можно отметить от начала введения крестьянской реформы 1861 года. Эта реформа вызвала бурную распашку лучших ландшафтов. Земледелие приобрело экстенсивный характер, на полях преобладали зерновые культуры, пары занимали незначительную площадь, об удобрениях, и тем более о средствах химической защиты растений, не могло быть и речи. В конечном итоге это привело к истощению и иссушению черноземов, усиливались

колебания урожайности по годам, участились пыльные бури.

В.В. Докучаев в свое время описывал следующим образом характер проявления экстенсивной стадии: "... огромная часть (во многих местах вся) степи лишилась своего естественного покрова -степной, девственной, обыкновенно густой растительности и дерна ..., а пашни, занимающие теперь (в его время) во многих местах до 90% общей площади, уничтожив свойственную чернозему зернистую структуру, сделали его легким достоянием ветра и смывающей деятельности всевозможных вод". Спустя 30 лет он отметит: "... в таком надорванном, надломленном состоянии находится наше южное степное земледелие, уже и теперь, по общему признанию, являющееся биржевой игрой, азартность которой с каждым годом, конечно, должна увеличиваться". Происходила деградация всего степного ландшафта. Площадь пашни возросла в 1,5 раза, в основном, за счет распашки крутых склонов, проводилась некачественная обработка почвы, не соблюдались даже самые элементарные меры борьбы с эрозией и дефляцией. В это время пр�