Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Оптимизация питания растений и эколого-агрохимическая оценка применения удобрений на почвах с высоким содержанием подвижных соединений фосфора

ВАК РФ 06.01.04, Агрохимия

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, доктора сельскохозяйственных наук, Титова, Вера Ивановна, Нижний Новгород

1' У У ~ ¿> / ЛЗ ~

НИЖЕГОРОДСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

ТИТОВА ВЕРА ИВАНОВНА

ОПТИМИЗАЦИЯ ПИТАНИЯ РАСТЕНИЙ И ЭКОЛОГО-АГРОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРИМЕНЕНИЯ УДОБРЕНИЙ НА ПОЧВАХ С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ ПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ФОСФОРА

Специальность 06.01.04 - агрохимия

Научный консультант

академик РАСХН, профессор Ефимов В.Н.

Диссертация на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук

Н. Новгород -1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

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

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Трансформация и миграция соединений

фосфора в почвах........................................................ 14

1.2. Тяжелые металлы в цепи удобрения - почва -

растения....................................................................... 33

ГЛАВА 2. ЦЕЛЬ, УСЛОВИЯ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Цель, задачи и объекты исследований....................... 47

2.2. Краткая характеристика природных условий............ 49

2.3. Методы проведения исследований............................ 54

2.4. Сведения об удобрениях............................................. 63

2.5. Характеристика почв, используемых в исследованиях

2.5.1. Почвообразующие породы и краткая агрономическая

оценка почв................................................................. 64

2.5.2. Динамика основных агрохимических показателей светло-серой лесной почвы при систематическом внесении удобрений.................................................... 67

2.5.3. Сравнительная характеристика почв, используемых

в опытах....................................................................... 71

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ГЛАВА 3. ФОСФАТНЫЙ РЕЖИМ ПОЧВ

3.1. Групповой и фракционный состав фосфатов................... 76

3.1.1. Состав фосфатов светло-серой лесной почвы

при различной ее удобренности..................................... 78

3.1.2. Фракционный состав почвенных фосфатов при высокой насыщенности органическими удобрениями....... 88

3.1.3. Фосфатное состояние почвы при различной обеспеченности ее фосфором........................................ 99

3.2. Степень подвижности фосфатов и их сезонная динамика ..103

3.3. Миграция фосфора по профилю почвы в зависимости от систем применения удобрения........................................... 113

3.3.1. Полевые исследования................................................... 113

3.3.2. Лабораторные и лизиметрические опыты.................... 123

Заключение по главе...................................................... 136

ГЛАВА 4. УРОЖАЙНОСТЬ И КАЧЕСТВО ПРОДУКЦИИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ОБЕСПЕЧЕННОСТИ

РАСТЕНИЙ ФОСФОРОМ....................................... 139

4.1. Продуктивность культур при средней обеспеченности

почв фосфором.................................................................... 144

4.1.1. Агрономическая эффективность систематического внесения удобрений в зерно-травяном севообороте...... 144

4.1.2. Сравнительная оценка ежегодного и запасного внесения суперфосфата................................................... 154

4.2. Особенности выращивания растений на почвах с высокой

обеспеченностью подвижными формами фосфора .......... 159

4.2.1. Продуктивность культур при выращивании их на почвах

с высокой обеспеченностью фосфором, созданной внесением минеральных удобрений.............................. 160

4.2.2. Продуктивность культур при выращивании их на почвах

с высокой обеспеченностью фосфором, созданной

внесением органических удобрений............................ 178

Заключение по главе....................................................... 206

ГЛАВА 5. АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРИМЕНЕНИЯ ФОСФОРСОДЕРЖАЩИХ УДОБРЕНИЙ 5.1. Влияние удобрений, используемых в средних дозах, на

содержание тяжелых металлов в почве и растениях...........209

5.1.1. Систематическое внесение удобрений............................209

5.1.2. Внесение удобрений в запас............................................ 213

5.2. Агроэкологическая характеристика почв и качество растений, удобрявшихся птичьим пометом и жидким свиным навозом.................................................................. 216

5.2.1. Исследования в производстве...................................... 216

5.2.2. Вегетационно-полевые опыты...................................... 227

5.3. Экологическое состояние почв и качество продукции

при создании фосфатных фонов......................................... 232

Заключение по главе........................................................... 236

ГЛАВА 6. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УДОБРЕНИЙ

6.1. Энергетическая эффективность......................................... 238

6.2. Окупаемость удобрений прибавкой урожая..................... 240

6.3. Баланс фосфора в почве.................................................... 241

6.4. Прикладная значимость и эффективность исследований

по органической системе удобрения в производстве....... 244

Заключение по главе........................................................... 248

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ................................................................ 250

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ........................................ 255

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ........................ 256

ПРИЛОЖЕНИЯ..............................................................................307

ВВЕДЕНИЕ

Проблема фосфора в земледелии с момента становления агрохимии и до настоящего времени была и остается одной из наиболее актуальных и изучаемых, хотя направленность исследований претерпевает некоторые изменения во времени. Так, если до недавних пор суть проблемы заключалась в основном в нахождении и изучении способов повышения содержания фосфора в почве и улучшения обеспеченности им растений, то в последнее время, наряду с вышеназванным, традиционным и первостепенным в большинстве случаев направлением исследований, для отдельных хозяйств и районов актуальным становится и изучение возможности применения удобрений на почвах с избыточным (до 1000 и более мг на 1 кг почвы) содержанием подвижных фосфатов.

Одним из первых на повышенную способность почв к накоплению фосфатов обратил внимание A.B. Соколов (1957,1958, 1976), подчеркивая при этом, что важнейшей задачей сельского хозяйства является установление в почве не максимального, а «желательного» (оптимального) уровня обеспеченности почв подвижными формами фосфора. Позднее, в 1983 году, Ю.И. Касицкий предложил считать содержание подвижного фосфора в дерново-подзолистых почвах выше 300 мг/кг недопустимо высоким.

Такие изменения в первую очередь коснулись Северо-Западного и Дальне-Восточного экономических районов, а также некоторых областей Центрального региона, где преобладают подзолистые и дерново-подзолистые почвы. Именно сюда в последние 20-30 лет были внесены основные объемы минеральных фосфатов и здесь же, как и предвидел классик советской агрохимии Д.Н. Прянишников, применяется наибольшее в сравнении с другими экономическими регионами количество органических удобрений. А.Ю. Кудеярова (1995) приводит данные расчетов, согласно

которым накопление фосфатов в почвах этих районов за 20 лет (с 1969 по 1988 г.г.) достигло 900-2400 кг/га. Таким образом, естественные валовые запасы фосфора этих почв - 1500-3500 кг/га для слоя 0-20 см ( Почвы Европейского ..., 1989) увеличены в 1,5-2,0 раза. Подобные цифры приведены А.Ю. Кудеяровой и для Московской области - 1083 кг/га, несколько ниже -для Владимирской (671 кг/га) и Нижегородской (489 кг/га) областей.

В то же время многие авторы (Карпинский Н.П., Замятина В.Б., 1958; Фишман В.Я., 1972; Касицкий Ю.И., Кулешова Л.Н., 1978; Гинзбург К.Е., 1981; Хмелинин И.Н., 1984; Янишевский Ф.В. и др., 1985; Маркина З.Н., 1986; Касицкий Ю.И., 1988;; Чернуха Г.А., 1990; Башкин В.Н. и др., 1992; Кудеярова А.Ю., 1993 и др.) отмечают, что применение фосфорных удобрений приводит к увеличению не только валовых запасов фосфатов почвы, но и к значительному увеличению доли их легкоподвижных фракций. Это неоднократно фиксировалось и агрохимической службой страны при проведении агрохимического обследования сельскохозяйственных земель (Дер-жавин Л.М. и др., 1976; Постников A.B., 1979; Державин JIM., 1984; Агрохимическая характеристика..., 1988; Титова В.И., Шафронов О.Д., 1996).

Следует подчеркнуть, что согласно результатам первого цикла агрохимического обследования (Державин Л.М. и др., 1976) Волго-Вятский экономический регион отнесен ко второму агрохимическому типу территории с преимущественно (на 64% пашни) низким содержанием подвижных форм фосфора и калия. Но если фактическое средневзвешенное содержание Р2О5 в пахотных почвах Нижегородской области по результатам 1 цикла обследования (1965-1971 г.г.) равнялось 53 мг/кг, то уже к 1991 году (пятый цикл) оно увеличилось почти втрое и составляет ныне 136 мг/кг.

Вместе с тем возросла и площадь земель сельскохозяйственного пользования с повышенным содержанием элементов питания (Макаренко

Л.Н., 1991; Иванов А.И., 1994; Иванов И.А. и др., 1996; Чендев Ю.Г., Ми-цуков С.Д., 1997). По данным ВНИИПТИХИМ (Агрохимическая ... , 1988) в ряде районов страны (включая Ленинградскую и Московскую области) она составляет до 25% обследованных угодий. В Белоруссии площадь почв с очень высоким содержанием подвижных форм фосфора (более 400 мг/кг по Кирсанову) достигла 267000 га, т.е. 5% площади пашни (Барашен-ко В.В. и др., 1996). В Нижегородской области почвы, имеющие обеспеченность подвижными формами фосфора свыше 250 мг/кг занимают территорию в 273488 га (14,8% пахотных земель), из них почв с содержанием свыше 500 мг/кг -14126 га (Ежегодный доклад ... , 1997).

Отмеченное может быть следствием длительного использования повышенных доз минеральных фосфорсодержащих удобрений в севооборотах с невысоким выносом фосфора урожаем, а также результатом фосфо-ритования, запасного их внесения или создания заданных фосфатных фонов. В последние годы этому процессу подвергаются земли крупных птицеводческих и свиноводческих комплексов, т.к. жидкий свиной навоз и птичий помет (первый - в силу особенностей биологической очистки его, второй - в результате ускоренного разложения органического вещества и быстрой потери азотистого компонента продукта) имеют относительно высокое содержание фосфора, что при длительной утилизации их на ограниченной площади приводит к резкому увеличению содержания подвижных фосфатов в почве. Адекватного увеличения продуктивности культур при этом не наблюдается, т.к. почвы остаются сравнительно слабо обеспеченными азотом и калием. К тому же эти удобрения часто имеют повышенное содержание тяжелых металлов, что приводит к загрязнению почв и ставит перед работниками сельского хозяйства серьезную проблему их использования. Поскольку эти почвы обладают высоким плодородием, чаще всего имеют нейтральную или близкую к ней реакцию среды, обычные приемы

снижения транслокации загрязняющих веществ в сельскохозяйственные культуры (известкование, фосфоритование, внесение органических удобрений) теряют изначальный смысл. В таких случаях особенно необходим поиск новых или специфически приспособленных к конкретным условиям способов снижения токсичности тяжелых металлов.

Изучение особенностей химических процессов в почвах с разной фосфатной нагрузкой представляется важным и потому, что ее увеличение интенсифицирует процессы выщелачивания биогенных элементов и способствует трансформации органо-минеральных соединений почвы - основного ее сорбционного барьера при химическом загрязнении (Кудеярова А.Ю., 1995). Именно поэтому объектами наших научных исследований были как сельскохозяйственные земли с невысоким природным содержанием фосфатов, так и почвы с агрогенно сформированным очень высоким фосфатным фоном и искусственно созданными заданными уровнями содержания подвижных форм фосфора.

Научная новизна

Повышение содержания подвижных фосфатов в почве до уровня, превышающего установившиеся понятия о высокой обеспеченности почв фосфатами в 5-10 раз - это проблема, вставшая перед практикой и наукой в последние десятилетия. В этой связи исследования как почвенных процессов, так и условий формирования на таких почвах растениеводческой продукции, новы и актуальны.

Наблюдениями в полевых условиях зафиксировано увеличение содержания подвижных фосфатов в пахотном слое дерново-подзолистых почв, систематически удобряемых птичьим пометом или жидким свиным навозом. Выявлены особенности фосфатного состояния их почвенного профиля. Отмечено повышение содержания органических фосфатов в ни-

жележащих от пахотного горизонтах почв. При этом количественные параметры их миграции выше на более легкой по гранулометрическому составу почве.

Установлены закономерности формирования фосфатного режима дерново-подзолистых и светло-серых лесных почв с избыточным содержанием подвижных фосфатов, тенденции изменения физико-химических свойств и гумусного состояния их пахотного слоя.

Проведена эколого-агрохимическая оценка почв: определены элементы-загрязнители и долевое участие изучаемых органических удобрений - птичьего помета и жидкого свиного навоза - в общем техногенном потоке современного загрязнения сельскохозяйственных земель; установлена степень подвижности отдельных тяжелых металлов и возможность их миграции по почвенному профилю базовых экспериментальных хозяйств; рассчитан суммарный коэффициент концентрации тяжелых металлов в аккумулятивном слое почв.

Дана агрономическая и агроэкологическая оценка возможности применения удобрений на почвах с избыточным содержанием подвижных фосфатов, а также продолжающейся утилизации на этих землях птичьего помета и жидкого свиного навоза. Установлен уровень содержания подвижных форм фосфора в почве, позволяющий получать высокий урожай культур удовлетворительного качества. Определены количественные критерии влияния азотных и калийных удобрений на способность отдельных культур к выносу тяжелых металлов и детоксикации почв, имеющих очень высокое содержание подвижных соединений фосфора.

Основные защищаемые положения 1. Фосфатный режим дерново-подзолистых супесчаных и легкосуглинистых почв, подвергшихся значительной фосфатной нагрузке в результате применения птичьего помета и жидкого свиного навоза, формируется в со-

ответствии с удобренностью почвы и условиями прохождения почвенных процессов: содержание фосфатов алюминия и железа отличается наименьшей вариабельностью и сохраняется на уровне 60-70% от суммы минеральных фосфатов; пополнение фракции рыхлосвязанных минеральных фосфатов происходит в основном за счет фракций алюмо- и железофосфа-тов; долевое участие органических фосфатов в общем количестве фосфатных соединений почвы изменяется незначительно, но абсолютное их содержание возрастает в несколько раз. Интенсивность миграции фосфатных соединений, в значительной степени обусловленная строением почвенного профиля, определяется совместным действием дозы удобрения, возрастая с увеличением ее, и его формой, уменьшаясь от применения фосфорсодержащих удобрений в ряду: жидкий свиной навоз - птичий помет - суперфосфат, а также групповым и фракционным составом почвенных фосфатов: резкое повышение содержания органофосфатов и рыхлосвязанных минеральных фосфатов приводят к активизации движения их по профилю почвы.

2. Интенсивная органическая система удобрения в виде длительного (около 20 лет) систематического внесения высоких доз птичьего помета и жидкого свиного навоза (20 и 200 т/га соответственно) приводит к резкому увеличению содержания подвижных соединений фосфора, в результате чего доля фосфатов, извлекаемых из почвы 0,2n HCl, достигает 50% от валовых запасов фосфора. При этом увеличивается степень подвижности и сезонная динамика подвижных соединений фосфора. Долевое участие интенсивной органической системы удобрения с насыщенностью 20 т/га птичьего помета или 200 т/га свиного навоза в количественном пополнении запасов тяжелых металлов в почве изменяется в пределах 7-12%, в отдельных случаях достигая 25%. Степень загрязнения изучаемых почв в соответствии с принятой классификацией оценивается как низкая, однако коэффи-

циент концентрации отдельных токсикантов при этом возрастает во времени. Продолжающаяся утилизация органических удобрений на этих почвах увеличивает усвоение тяжелых металлов растениями.

3. Одним из основополагающих условий выращивания растений на почвах с избыточным содержанием подвижных фосфатов является создание оптимального для них соотношения элементов питания, что требует дополнительного внесения азотных и калийных минеральных удобрений. Это приводит к увеличению коэффициента использования фосфора растениями и способствует повышению урожайности возделываемых культур.

4. По комплексу показателей, включающих агрономическую, агроэко-логическую и энергетическую окупаемость удобрений, а также влияние на свойства светло-серой лесной почвы и окружающую среду, минеральная система удобрения не уступает органической и сопоставима с органо-минеральной при использовании удобрений в средних дозах - ЫбоРбоКбо и 8 т навоза КРС на 1 га.

Реализация результатов исследований

1. Основные положения и результаты исследований автора по системам удобрения сельскохозяйственных культур вошли составной частью в следующие разработки:

а) программы развития сельского хозяйства Нижегородской области: «Интенсификация - 90», «Программа повышения плодородия почв Нижегородской области на 1993-1995 г.г.», «Программа стабилизации агропромышленного комплекса Нижегородской области на период 19952000 г.г.».

б) ежегодные и тематические рекомендации Департамента сельско