Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Влияние многолетних бобовых трав на агрофизические свойства и плодородие почвы в различных севооборотах Юго-Востока ЦЧЗ

ВАК РФ 06.01.01, Общее земледелие

Автореферат диссертации по теме "Влияние многолетних бобовых трав на агрофизические свойства и плодородие почвы в различных севооборотах Юго-Востока ЦЧЗ"

На правах рукописи

005051185

АБАНИНА ОЛЬГА АЛЕКСАНДРОВНА

ВЛИЯНИЕ МНОГОЛЕТНИХ БОБОВЫХ ТРАВ НА АГРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПЛОДОРОДИЕ ПОЧВЫ В РАЗЛИЧНЫХ СЕВООБОРОТАХ ЮГО-ВОСТОКА ЦЧЗ

Специальность 06.01.01 — общее земледелие

4 АПР 2013

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Орёл-2013

005051185

Работа выполнена в лаборатории эколого-ландшафтных севооборотов Государственного научного учреждения «Воронежский научно-исследовательский институт сельского хозяйства им. В.В. Докучаева Российской академии сельскохозяйственных наук» в 2008-2010 гг.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук, член-корреспондент Россельхозакадемии Турусов Виктор Иванович

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, зав. кафедрой агроэкологии и охраны окружающей среды ФГБОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет» Гурин Александр Григорьевич

Ведущая организация:

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I»

Трофимова Татьяна Александровна

«Всероссийский научно-исследовательский институт сахарной свёклы имени А.Л. Мазлумова» Россельхозакадемии

Защита диссертации состоится 12 апреля 2013 года в 12.30 ч. на заседании Диссертационного совета ДМ 220.052.01 в Орловском государственном аграрном университете по адресу: г. Ор'ёл, ул. Генерала Родина, д. (Р/^

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки Орёл ГАУ (г. Орёл, бульвар Победы, д. 19).

Автореферат разослан 6 марта 2013 года и размещен на официальном сайте ФГБОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет» http://www.orelsau.ru и на сайте ВАК при Минобрнауки РФ http://vak2.ed.gov.ru.

Просим прислать отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, ученому секретарю диссертационного совета ДМ 220.052.01. Факс: 8(4862) 43-13-01, e-mail dissovet-orelsau@yandex.ru.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор сельскохозяйственнух-^аук, профессор

С

Л.П. Степанова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современный этап развития систем земледелия предполагает создание сбалансированных, высокопродуктивных и устойчивых агроландшафтов, максимально адаптированных к природным условиям региона и обеспечивающих сохранение и повышение плодородия почв.

Важнейшим компонентом плодородия пахотных почв является их агрофизическое состояние. При достижении оптимальных параметров физических свойств почв активизируются процессы превращения веществ и энергии, интенсивнее протекают биологические процессы, заметно снижаются затраты на обработку почвы, повышается эффективность использования сельскохозяйственной техники, и, как следствие, увеличивается продуктивность возделываемых культур (Бондарев А.Г., 1977; P. Menning, 1983; J. Lhotsky, 1984; H.Vereecken, 1989; Боронтов O.K., 2010; Хасанова Р.Ф., 2010).

Излагаемые результаты получены при исследованиях проводимых в рамках выполнения государственного задания 02.01.02 «Усовершенствовать севообороты и структуру посевных площадей в хозяйствах различной специализации с целью обеспечения устойчивой продуктивности земель и сохранения биоразнообразия в агроландшафтах».

Цель и задачи исследования. Целью настоящих исследований являлась разработка путей оптимизации агрофизических свойств чернозема обыкновенного и повышения эффективности земледелия на основе использования эспарцета в звене полевых севооборотов.

При этом решались следующие задачи:

1. Изучить влияние эспарцета на структурно-агрегатное состояние почвы в различных севооборотах.

2. Установить закономерности изменения плотности сложения почвы, ее строения в севооборотах с многолетними травами различной продолжительности использования.

3. Выявить характер и закономерности изменения водно-физических свойств почвы, определить эффективность использования влаги в звеньях севооборотов с эспарцетом.

4. Изучить динамику биологической активности почвы и процесса углекислотного газообмена в системе «почва - приземный слой воздуха» под эспарцетом.

5. Оценить влияние эспарцета на содержание в почве Ca,Mg,Na.

6. Исследовать закономерности изменения продуктивности севооборотов с эспарцетом и оценить эффективность использования ресурсов плодородия почвы на основе информационно-энергетического анализа.

Научная новизна. Впервые автором диссертационной работы для условий юго-востока ЦЧЗ проведены комплексные исследования изменения агрофизических свойств черноземов в современных интенсивных полевых севооборотах. Получены новые оригинальные экспериментальные данные по эффективности включения бобовых трав в полевые севообороты, их влияния на показатели плодородия почвы и продуктивность возделываемых культур. Дана

оценка изменения агрофизических параметров состояния плодородия почвы в полевых севооборотах. На основе полученного экспериментального материала разработаны пути снижения деградации физических свойств черноземных почв при их интенсивном сельскохозяйственном использовании в современных адаптивно-ландшафтных системах земледелия.

Выявлена зависимость трансформации физических характеристик плодородия почвы, связанная с введением в севооборот многолетних бобовых трав. Определена взаимосвязь агрофизических параметров чернозема обыкновенного с его биологическими свойствами и требованиями полевых культур.

Практическая значимость. Результаты проведённых научных исследований расширяют знания о влиянии многолетних бобовых трав на физические, физико-химические и биологические свойства черноземных почв, что позволит при их правильном применении повысить продуктивность севооборотов, устойчивость земледелия и стабилизировать плодородие почвы.

Доказана возможность улучшения физических, физико-химических и биологических свойств черноземных почв за счет оптимизации структуры посевов путем расширения доли многолетних бобовых трав в севооборотах.

Основные результаты исследований могут быть использованы для совершенствования систем земледелия Центрально-Черноземной зоны России и снижения деградационных процессов черноземов на основе использования полевого травосеяния. Материалы исследований рекомендуется использовать в проектировании современных адаптивно-ландшафтных систем земледелия, при чтении дисциплин растениеводство, земледелие, агропочвоведение по профильным специальностям в высших учебных заведениях.

Экспериментальные данные вошли составной частью в рекомендации «Оптимизация структуры посевов и севооборотов в эколого-ландшафтном земледелии Воронежской области», и в «Научно обоснованные системы ведения агропромышленного комплекса Воронежской области», включены в книгу: «Адаптивно-ландшафтные системы земледелия Воронежской области».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Закономерности изменения агрофизических свойств почв пахотного слоя в севооборотах с эспарцетом.

2. Оценка роли севооборотов с разным насышением эспарцетом в оптимизации водно-физических, физико-химических и биологических свойств почвы и в снижении их деградации.

3. Закономерности изменения продуктивности и экономической эффективности различных видов севооборотов с эспарцетом.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждены и получили положительную оценку на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы повышения эффективности агропромышленного комплекса» 23-25 января 2008 г., г. Курск, на Международной конференции «Современные проблемы науки и образования » 27-29 февраля 2012г., г. Москва, а также на заседаниях Проблемного и Ученого советов ГНУ Воронежского НИИСХ Россельхозакадемии, на

заседании Территориального координационного совета «Научно-практические основы сохранения и воспроизводства плодородия почв ЦЧЗ» 25-26 июня 2008г., Каменная Степь, на заседании Территориального координационного совета «Пути сохранения плодородия почвы и повышения продуктивности сельскохозяйственных культур в адаптивно-ландшафтном земледелии Центрального Черноземья» 29 мая 2009 г., Каменная Степь, на заседании Всероссийской школы молодых ученых и специалистов по теме: «Перспективные технологии для современного сельскохозяйственного производства» 27-28 июня 2012г., Каменная Степь.

Публикации результатов исследований. По результатам исследований опубликовано 12 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура п объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литературы из 211 наименования, в том числе 14 на иностранных языках, предложений производству и 28 приложений. Работа изложена на 178 страницах печатного текста, включает 21 таблицу, 33 рисунка.

Считаю своей обязанностью поблагодарить коллег по лаборатории эколого-ландшафтных севооборотов за неоценимую поддержку в проведении полевых исследований, соавторов совместных публикаций - за плодотворное научное сотрудничество. Искреннюю признательность выражаю моему научному руководителю доктору сельскохозяйственных наук, член-корреспонденту Россельхозакадемии Туру сову В.И. за проявленное внимание и поддержку разрабатываемого научного направления.

I. УСЛОВИЯ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проводились в 2008-2010 гг. в стационарном опыте лаборатории эколого-ландшафтных севооборотов ГНУ Воронежский НИИСХ им В.В. Докучаева Россельхозакадемии.

Каменная степь, где выполнялись исследования, расположена на юго-востоке Центрально-Черноземной зоны на водоразделе между Доном и Хопром. Климат Каменной Степи характеризуется как типично степной, умеренно континентальный, с теплым летом и холодной зимой.

Метеоусловия в годы проведения полевых опытов имели существенное различие между собой, варьируя в ту или другую сторону от среднемноголетних показателей. Наиболее благоприятными по погодным условиям для возделывания сельскохозяйственных культур были 2008 и 2009 годы, неблагоприятным 2010 год, характеризовавшийся повышенным температурным фоном при малом количестве атмосферных осадков.

Почва опытного участка — чернозем обыкновенный, среднемощный, тяжелосуглинистого гранулометрического состава, со следующей агрохимической характеристикой в слое почвы 0-40 см: содержание гумуса7,1 %, общий азот-0,314 %, подвижный фосфор-0,324 %, общий капий-1,94 %, рН

солевой вытяжки-7,16 %, сумма поглощенных оснований - 65,5 ммоль-экв./100г почвы, гидролитическая кислотность - 0,70 ммоль-экв./100г почвы.

Опыт заложен в четырехкратной повторности. Размещение делянок систематическое в четырех ярусах. Длина посевной делянки - 14,0 м, ширина -5,6 м. Длина учетной делянки - 12,0 м, ширина - 4,0 м. Площадь учетной делянки — 48,0 м2. Площадь посевной делянки - 78,4 м2.

В соответствии с задачами, сформулированными в программе, в схему опыта включены севообороты со следующим чередованием культур:

севооборот 1 - черный пар, озимая пшеница, подсолнечник, ячмень, горох, озимая пшеница, кукуруза, ячмень, гречиха, яровая пшеница (зерновых-50%);

севооборот 2 — черный пар, озимая пшеница, ячмень + эспарцет, эспарцет, озимая пшеница, подсолнечник (зерновых-50%, эспарцета-17%);

севооборот 3 - черный пар, озимая пшеница, ячмень + эспарцет, эспарцет, эспарцет, озимая пшеница, подсолнечник (зерновых-43%, эспарцета-28%);

севооборот 4 - горох, озимая пшеница, ячмень + эспарцет, эспарцет, озимая пшеница, ячмень (зерновых-67%, эспарцета-17%);

севооборот 5 - горох, озимая пшеница, ячмень + эспарцет, эспарцет, эспарцет, озимая пшеница, яровая пшеница, ячмень (зерновых-63%, эспарцета-25%);

Исследования проводили согласно существующим методикам, принятым в опытах по общему земледелию и растениеводству, а также в практике лабораторных работ.

Фенологические наблюдения — по методике Госкомиссии по сортоиспытанию сельскохозяйственных культур (1985);плотность сложения почвы — методом взятия почвенных проб с ненарушенным сложением с помощью режущих колец; плотность твердой фазы почвы — пикнометрическим методом; структурный состав — по Н.И. Саввинову; определение водопрочности почвенных агрегатов — прибором И.М. Бакшеева; влажность почвы — термостатно-весовым методом (путем взятия проб до глубины 1 м через каждые 10 см); наименьшую (полевую) влагоемкость определяли методом заливаемых площадок; максимальную гигроскопичность — методом A.A. Николаева; гидролитическую кислотность - по Каппену (ГОСТ 26212-91); обменные кальций и магний -тригонометрически. Вытеснение обменных катионов кальция и магния -хлористым натрием.; обменный натрий - методом ЦИНАО (М., 1977) (ГОСТ 26950-86); сумму поглощенных оснований - по Каппену-Гильковицу (ГОСТ 2782188); порозность почвы - расчетным способом по H.A. Качинскому; биологическую активность почвы определяли методом В.И. Штатнова, по интенсивности выделения углекислоты из почвы; содержание кормовых единицрасчетным способом; учет урожайности — поделяночно, сплошным обмолотом зерновых культур комбайном «Сампо». Данные урожайности приводили к 14% -ной влажности и 100%-ной чистоте. Кукурузу убирали вручную. Скашивание и учет зеленой массы эспарцета (Песчаный 1251) проводили в период цветения

культуры, урожайность сена приводили к стандартной влажности (16%) по методике Б.А. Доспехова (1986).

Экономическую оценку определяли по методике РАСХН (1982), биоэнергетическую эффективность по методике биоэнергетической оценки технологий производства продукции растениеводства, ВАСХНИЛ (ДСП, М., 1983.-45 е.).

II. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Структурно-агрегатное состояние почвы

Интенсификация сельскохозяйственного производства, вовлечение и активное использование почвенного покрова черноземных почв, нерациональное применение различных приемов обработки почвы сопровождаются разрушением структуры, образованием большей доли глыбистой и крупно глыбистой фракции и пыли, ухудшением водно-физических характеристик. Все это в конечном итоге негативно сказывается на плодородии почвы, росте и развитии культурных растений, снижается их продукционная способность.

Проведенные исследования структурно-агрегатного состояния в различных видах севооборотов позволяют нам установить некоторые определенные закономерности в изменении качественных характеристик сложения корнеобитаемого слоя и вклада каждой фракции в формирование агрономически ценной структуры.

Под посевами ячменя содержание глыб (фракций >10 мм) изменялось в зависимости от вида севооборотов. Наибольшая доля глыбистых фракций (19,0%), отмечена в зернопаропропашном севообороте, включение в структуру севооборотов многолетних трав снижает долю глыбистых агрегатов до 8,4%.

Основной преобладающей и доминирующей фракцией являются мезоагрегаты размером от 1 до 5 мм. В верхнем пахотном горизонте почвы в зернопаропропашном севообороте под ячменем, являющимся предшественником для бобовых, доля этих частиц была наименьшей и составляла в среднем за годы проведения исследований 55,2%. Бобовые травы оказывали положительное влияние на физические свойства, особенно в звеньях севооборота без участия чистого пара. В зерновых севооборотах доля почвенных агрегатов размером 1-5 мм увеличивалась до 61,4-62,5%.

Существенный практический интерес представляют данные по влиянию бобового компонента на перераспределение и соотношение почвенных агрегатов (табл. 1).

В фазу уборки бобовых культур под однолетней бобовой культурой (горохом), как и под эспарцетом первого года пользования, максимальная доля в структуре отдельных почвенных частиц также приходилась на агрегаты размером 1-5 мм. При этом однолетняя бобовая культура и многолетняя первого года использования по этому показателю были очень близки. Разница составляла всего 1,3-3,0%. Более существенные различия характерны для эспарцета второго года использования.

В пахотном горизонте снижение доли агрегатов 1-5 мм достигали значений 11,8-12,9%. При этом необходимо отметить тот факт, что в почве под посевами эспарцета второго года отмечается закономерное увеличение доли почвенных частиц размером от 5 до 10 мм.

Таблица 1 — Структурное состояние почвы под бобовыми культурами _перед уборкой, % (2008-2010 гг.)_

Вид севооборота Слой почвы, см Доля агрегатов, % Кс

>10* 10-5** 5-1 1-0,25 <0,25

Зернопаропропашной (горох) 0-10 10,3 9,5 63,9 12,2 4,5 6,2

10-20 18,1 17,4 53,4 8,7 2,7 4,0

20-30 17,4 22,4 50,6 7,1 2,8 4,5

30-40 19,2 24,4 49,1 5,0 2,4 3,7

Зернопаротравянопропашной с 1 полем эспарцета 0-10 7,7 10,5 60,9 16,9 3,9 8,0

10-20 14,7 24,2 48,7 9,3 3,1 4,7

20-30 11,2 25,1 51,1 9,6 3,0 7,0

30-40 18,2 23,2 45,6 8,7 2,8 4,6

Зернопаротравянопропашной с 2 полями эспарцета 0-10 10,5 18,0 52,1 15,9 3,5 6,5

10-20 15,5 27,4 44,4 9,8 2,9 4,6

20-30 20,6 29,3 41,4 7,2 1,7 4,4

30-40 22,6 25,2 44,7 5,7 1,9 3,6

Зерновой с 1 полем эспарцета 0-10 9,4 11,7 62,6 И,9 4,4 7,0

10-20 12,1 20,1 52,7 11,7 3,3 5,9

20-30 14,7 22,1 50,6 9,6 3,1 5,1

30-40 14,2 16,8 50,1 12,5 6,4 4,0

Зерновой с 2 полями эспарцета 0-10 12,4 16,3 51,0 13,9 2,5 5,7

10-20 17,3 23,5 46,2 9,9 2,3 4,4

20-30 24,5 21,0 43,5 9,7 2,6 3,1

30-40 14,3 22,4 48,1 9,1 3,5 5,2

* - размер агрегатов, мм

**-и=5,03-2,86>ир=2,13

В рассматриваемых севооборотах с бобовыми компонентами различия по содержанию глыбистой фракции >10мм были незначительны и варьировали в интервале от 7,7 до 12,4%. Вместе с тем анализ экспериментальных данных показывает увеличение доли глыбистой фракции в севооборотах с 2 полями эспарцета. И наиболее заметно это проявляется в нижележащих слоях почвы 20-40 см.

Таким образом, под влиянием бобовых трав с хорошо развитой корневой системой происходит структурная переорганизация с уменьшением доли частиц 15 мм и образованием более крупных мезоагрегатов размером 5-10 мм.

Оценивая изменения коэффициента структурности непосредственно под бобовыми культурами, необходимо сказать об его увеличении под эспарцетом. Причем эти изменения затронули весь исследуемый почвенный профиль. Так, если под горохом в слое 0-20 см в фазу уборки Кс равнялся 4,0-6,2, то под посевами эспарцета он был выше и составлял величины порядка 4,6-8,0 в зернопаротравянопропашном севообороте и 4,4-7,0 в зерновом.

Стабилизация и улучшение агрофизических параметров в различных видах севооборотов на основе полевого травосеяния проявляют свое положительное влияние и на последующей культуре — озимой пшенице.

Для оценки водоустойчивости почвенной структуры нами были использованы два показателя: коэффициент и критерий водопрочности. Результаты наших исследований свидетельствуют, что содержание водопрочных агрегатов под разными видами севооборотов варьируется в довольно больших пределах: Кв изменяется от 0,69 до 0,97.

Повышенное содержание водопрочных структур наблюдается под сеяными травами при оценке почв с использованием критерия водопрочности. Максимальные его значения наблюдались под двулетней культурой эспарцета -12,3-12,4.

Отмеченные нами процессы улучшения водопрочности почвенной структуры под бобовыми компонентами сохранили свое влияние и на последующей культуре — озимой пшенице (рис. 1). Также необходимо отметить такие закономерности, как стабилизация и выравнивание коэффициента водопрочности.

1,00

0,30

0,60 ей х:

0,40 0,20 0,00

1 2 севооборот 3 4 5

0 0-10 см И 1.0-?0 см ШО-ЛОем И?,0-40 см

Рис. 1 — Коэффициент водопрочности под посевами озимой пшеницы,

2008-2010 гг.

Севооборот: 1 -зернопаропропашной; 2 - зернопаротравянопропашной с 1 полем эспарцета; 3 — зернопаротравянопропашной с 2 полями эспарцета; 4 — зерновой с 1 полем эспарцета; 5 -зерновой с 2 полями эспарцета

2.2 Плотность сложения и пористость почв

Важнейшими факторами создания условий почвенного плодородия являются физические свойства и процессы, протекающие в почве. Физические свойства обрабатываемых горизонтов почвы - это сложение пахотного горизонта и водно-воздушный режим.

Наши исследования, проведенные в условиях Каменной Степи, показали, что в изученных севооборотах значения плотности сложения верхнего корнеобитаемого слоя не выходили за параметры оптимальных значений. В основном они варьировали в пределах от 0,95 до 1,15 г/см3(табл. 2).

Таблица 2 - Плотность сложения почв под сельскохозяйственными культурами в зависимости от вида севооборота в слое 0-40 см, г/см3 _(2008-2010гг.)__

Вид севооборота Ячмень Бобовая культура Озимая пшеница

полная спелость нарастание вегетат. массы перед уборкой (полная спелость) выход в трубку

Зернопаропропашной (горох) 1,06±0,02 1,02±0,04 0,98±0,03*

Зернопаротравянопропашной с 1 полем эспарцета 1,03±0,02 1,00±0,01 1,06±0,02 0,95±0,02*

Зернопаротравянопропашной с 2 полями эспарцета 1,04±0,02 1,02±0,03 1,09±0,03 0,91±0,04*

Зерновой с 1 полем эспарцета 1,04±0,03 0,96±0,02 1,04±0,03 1,00±0,03 *

Зерновой с 2 полями эспарцета 1,04±0,03 0,99±0,03 1,07±0,04 0,97±0,03*

*1раэтг= 2,22 >^„=2,16.

Для оценки зависимости плотности сложения от дифференциальной пористости нами был произведен корреляционный и регрессионный анализы.

Результаты статистических расчетов подтверждают выявленные закономерности увеличения общей пористости в полевых севооборотах с многолетними травами и свидетельствуют, что она имеет обратно пропорциональную зависимость с плотностью сложения. Коэффициент парной корреляции составил г =-0,95-0,98. Принимая за оптимальные значения плотность сложения в пределах 1,0-1,1 г/см3,общая пористость таким образом варьировала от 57 до 62%.

В подтверждение этих данных служат высокие значения достоверности коэффициента аппроксимации - И2=0,91-0,96. Причем более высокие значения характерны для полевых севооборотов с эспарцетом (рис 2).

I

ячмень (полная спетость ) • ,................у

I

';............................................

ХЗ 0,9 1 1.1

плотность г/смЗ

-Зг>,7х + 97,1 К* -0,91

|

:-ч"порцепнгфастамие вететлтнвн.Щ кгас с ы)

;

? 75

; 70

" 55 60 5 50

= -36,2х+ 97,3 К' •• 0,92

ОД 1,1

плотность, г/смЗ

эспарцет (Пфед запашкой)

70 ; у = -35,4х + 96,2

К3 = 0,96

75

о л пшеница (выход в гр\ Оку )

................................V = -37,2х + 98,8

5 70 ................К- = »,95.......

| ® Р.....'......................

I

50

1 1.2 " 0.8 0.9 I 1.1

плотность, г/смЗ плотность, г/смЗ

Рис. 2 —Взаимосвязь общей пористости С плотностью сложения

Такую же обратно пропорциональную зависимость имеют плотность сложения и капиллярная пористость (рис.3).

ячмень (полная спепос ть) 60 ................................? 4 04)11 ".г

»Л 1г> = 0.40

1.00 1,10 НЛОТНОСТЬ. Г смЗ

1,20

55 - - ■

50 :.....

45 ■!■■■■

40 .1... :

35 : 30

25 ;

ктрпст (перед чашшкрй)

у = -63,9Х+ 107,6

К: = 0,64 %...........................

'Г' •

у = -77,Зх + 120,7 к3 = 0,75

эспарцет (нарастание вегетативной массы) . 60 .-...........................

; 55 1......

: 50 ;..................

I 45 :............................•• # щ .......*........

I -!................................. »......

! 35 ..................................•.....♦.....

! 30 ;...................................................

I 0,80 0.90 1,00 1,10

' плотность, г смЗ

во

50 * 40

.30

0 1ГГМ1Я пшенпцл (выход в труоку)

.у»-59,5х + 104,2

V • К *" 0.06

V*.

1,00 1.10 плотность, г/см3

0.80 0.30 1,00 1,10 1,20 плотность, г/смЗ

Рис. 3 - Взаимосвязь капиллярной пористости с плотностью сложения

Более высокие значения коээфициента достоверности аппроксимации, по нашим расчетам, отмечены в севооборотах с эспарцетом (к2=0,75-0,64) и под озимой пшеницей (112=0,66). На основании проведенных нами исследований и статистической обработки данных можно утверждать, что оптимальные значения капиллярной пористости находятся в пределах 36-45%.

Некапиллярная пористость находится хотя и в меньшей, но все же в прямой пропорциональной зависимости от плотности сложения.

Учитывая, что максимальный коэффициент достоверности аппроксимации Я = 0,65 отмечен под эспарцетом, то оптимальные значения некапиллярной пористости должны изменяться в пределах от 12,0 до 15,0%.

По нашим данным, не установлено существенных различий плотности твердой фазы в зависимости от вида севооборота. Это связано с тем, что опытный участок представлен старопахотной почвой с равномерным гомонизированным состоянием обрабатываемого слоя и высоким содержанием гумуса. Основным антропогенным воздействием являются обработка почвы и культуры севооборота. Они не могут изменить в короткий срок минералогический состав и, в частности, тонкодисперсную часть почвы.

2.3 Водно-физические свойства почвы

Одним из важнейших факторов, лимитирующих высокую производительную способность агрофитоценозов и обеспечивающих нормальную жизнедеятельность растений, является количество доступной для произрастающих растений влаги, или их влагообеспеченность.

Степень доступности почвенной влаги растениям и состояние водного режима, характеризуются водно-гидрологическими константами.

Приведенные данные свидетельствуют о положительном влиянии многолетних трав в условиях длительно эксплуатируемых черноземных почв на сохранение и стабилизацию важнейших показателей водно-физического состояния пахотных черноземов. Особенно четко данная закономерность прослеживается в гумусово-аккумулятивном горизонте (до 50 см).

В пахотном горизонте значение максимальной гигроскопичности (МГ) под многолетними травами равнялись 11,1%, под однолетней бобовой культурой (горохом) оно было существенно ниже и составляло 10,4%.

В соответствии с МГ изменялась и расчетная влажность устойчивого завядания растений. Максимальные ее значения отмечены в верхних горизонтах почвы под эспарцетом - 16,6-17,3% с постепенным снижением до 15,9% в слое 90-100 см.

Улучшение структурно-агрегатного состояния почвы под многолетними травами сказалось положительно на изменении наименьшей влагоемкости (НВ). Ее значения под горохом в пахотном слое почвы равнялись 28,6-30,6%, под эспарцетом в зерновом севообороте - 38,4-42,5%. В нижних горизонтах почвы различия сглаживаются.

Аналогично изменениям НВ изменяется и диапазон активной влаги черноземов (ДАВ). В зернопаропропашном севообороте под однолетней

бобовой культурой он составлял 13,9-15,0% против 22,1-25,9% под многолетней бобовой культурой (слой 0-20 см).

Таким образом, введение в структуру полевых севооборотов эспарцета способствует существенному улучшению водно-физических свойств почв, расширению диапазона активной влаги, увеличению HB.

2.4 Биологическая активность почвы

Одна из важных характеристик показателей плодородия почвы -интенсивность выделения С02, которая является косвенным показателем ее биологической активности и многих почвенных процессов, определяющих как эффективное почвенное плодородие, так и потенциальное (Штатное В.И., 1952; Мишустин Е.М., 1972; Галстян А.Ш., 1978; Хазиев Ф.Х. и др., 1998, Rüssel E.W., 1950, Magers Н.,1929, Schaller Т.W.,1962).

Исследования интенсивности дыхания почвы, определяемые по выделению С02,показали, что многолетние травы как в прямом действии непосредственно под ними, так и в целом по севообороту способствовали увеличению интенсивности выделения углекислого газа (рис.4).

12 3 4 5 севооборот

»ячмонь крае.--2,76-3,12>№еор.-2,37 . бобовая культура Срас.-9,2-15,5>1 теор.- 2,37 ■ озимая пшеница ip.-ic.-l11 ИЗмтеор. - 2,3 7

Рис. 4 - Интенсивность выделения С02 под посевами культур в различных севооборотах мг/м2 в сутки (2008-2010 гг.) Севооборот: 1 — зернопаропроиашной; 2 — зернопаротравянопропашной с 1 полем эспарцета; 3 — зернопаротравянопропашной с 2 полями эспарцета; 4 — зерновой с 1 полем эспарцета; 5 — зерновой с 2 полями эспарцета.

Биологическая активность почвы под посевами ячменя была максимальной в зерновых севооборотах. Интенсивность дыхания почвы в среднем составила при однолетнем использовании эспарцета 94,5 мг/м'в сутки, при двулетнем - 93,9 мг/м2 в сутки

Под посевами эспарцета биогенность почвы была существенно выше. В зернопаротравянопропашном севообороте она равнялась 104,1±1,4-107,5±1,4 мг/м2 С02 в сутки, в зерновом - 110,3± 1,3-115,4±1,3 мг/м2 С02 в сутки. В отличие от севооборотов с многолетним бобовым компонентом биологическая активность в зернопаропропашном севообороте под горохом была невысокой и составила всего 87,1±1,2 мг/м2 С02 в сутки. По результатам статистической

обработки, эти различия достоверны - 1расч = 9,2-15,5 > 11Сор = 2,37. Выявленные по интенсивности дыхания закономерности сохранились и на последующей культуре - озимой пшенице. Максимальная статистически значимая разница характерна для зерновых севооборотов при 1расч=111-118>1теор =2,37.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что эспарцет способствует максимальному улучшению биологических свойств почвы как непосредственно под самой культурой, так и в целом по звену севооборота.

2.5 Физико-химические свойства почв в различных севооборотах

Состав и свойства почвенно-поглощающего комплекса оказывают существенное значение как в формировании многих почвенных свойств, режимов, так и в создании условий, обеспечивающих максимальную продуктивность агроценозов с высоким качеством сельскохозяйственной продукции (Сирота С.М., Надежкин С.М., 2008).

Проведенные по вариантам полевых севооборотов исследования показали, что изменение состава почвенно-поглощающего комплекса находится в зависимости от вида севооборота, соотношения культур и доли трав в структуре севооборота (рис.5).

сепсюборог

ЗобОйУй Я O n-iMiiA f twiiit - -З.,7ч VtT-.X.ip. i',0''!

Рис. 5— Содержание обменного кальция в звене севооборота

бобовая культура - озимая пшеница в слое 0-40см, 2008-2010гг. Севооборот: 1 - зернопаропропашной; 2 - зернопаротравянопропашной с 1 полем эспарцета; 3 - зернопаротравянопропашной с 2 полями эспарцета; 4 - зерновой с 1 полем эспарцета; 5 -зерновой с 2 полями эспарцета.

Так, в среднем для слоя 0-40 см содержание кальция в зернопаротравянопропашном севообороте с одним полем эспарцета составило 32,1±0,4 ммоль-экв/100 г почвы, с двумя полями - 31,0±1,2 ммоль-экв. В зерновых севооборотах эти значения составили соответственно 32,8±],5 и 33,5±1,5 ммоль-экв/100 г.

В посевах озимой пшеницы по всем вариантам опыта, где предшественником служили многолетние травы, отмечается превышение содержания поглощенного кальция на 0,6-1,2 ммоль-экв/ЮОг почвы в зернопаротравянопропашных и на1,3-2,0 ммоль-экв/100 г почвы в зерновых севооборотах по отношениию к зернопаропропашному севообороту с

однолетней бобовой культурой — 32,6 ммоль-экв. При этом разница математически достоверна - 1расч =2,74 > ^р =2,09.

Вторым важным компонентом почвенно-поглощающего комплекса является обменный магний. Анализируя характер его распределения в зависимости от вида севооборота, существенных различий нами не установлено.

Устойчивой закономерности в содержании обменного натрия в зависимости от видов севооборотов нами не выявлено. Его значения находятся в границах, характерных для чернозема обыкновенного.

2.6 Экономическая и биоэнергетическая оценка различных видов севооборотов

Наши исследования по экономической и биоэнергетической эффективности (табл. 3) показали, что максимальный чистый доход (7274-7755 руб./га) и уровень рентабельности обеспечивали 6-ти и 7-польные зернопаротравянопропашные севообороты.

Таблица 3 — Экономическая и биоэнергетическая эффективность _севооборотов_

Показатель Севооборот

зернопаропропашной зернопаротравянопро пашной с 1 полем эспарцета зернопаротравянопро пашной с 2 полями эспарцета зерновой с 1 полем эспарцета зерновой с 2 полями эспарцета

Сбор с 1 га севооборотной, площади, к. ед.т 2,34 2,46 2,34 2,55 2,48

Стоимость валовой продукции с 1 га, руб. 12775 11770 10796 12365 11564

Прямые затраты, руб./га 5701 4015 3522 5572 5086

Себестоимость 1 т к. ед. продукции, руб 2436 1632 1505 2185 2051

Прибыль, руб. 7074 7755 7274 6793 6478

Рентабельность, % 124 193 206 122 127

Затраты совокупной энергии, ГДж/га 13,7 12,8 12,1 17,3 16,1

Выход энергии, ГДж/га: с основной продукцией 31,4 30,6 27,9 33,7 31,5

с учетом побочной продукции 84,4 89,1 78,9 73,8 67.5

Коэффициент биоэнергетической эффективности: С ОСНОВНОЙ продукцией, Т|| 2,3 2,4 2,3 1,9 2,0

С учетом побочной продукции, Т|2 6,2 7,0 6,5 4,3 4,2

По уровню рентабельности 10-польный зернопаропронашной и 6-8-польные зернотравяные севообороты были примерно одинаковыми. Введение в структуру полевых севооборотов многолетних бобовых трав в значительной

мере повышает их продуктивность. Наибольший сбор кормовых единиц (2,482,55 т/га) обеспечивают зернотравяные севообороты с максимальной долей участия (63-67%) в их структуре зерновых.

Биоэнергетическая оценка эффективности севооборотов показала, что все севообороты являются энергосберегающими и биоэнергетически эффективными, поскольку энергетический коэффициент превышал единицу. Наиболее отчетливо это проявляется в зернопаротравянопропашных севооборотах как с одним, так и с двумя полями эспарцета.

ВЫВОДЫ

1. Использование эспарцета в полевых севооборотах способствует улучшению агрофизических, биологических и физико-химических свойств чернозема обыкновенного.

2. В условиях длительной антропогенной нагрузки физические свойства обыкновенного чернозема значительно изменились под влиянием культур севооборота. Наиболее чувствительным к агрогенным воздействиям является структурное состояние почв, и к более надежным для оценки изменениям физических свойств можно отнести качественное соотношение фракций. В севооборотах с исключением парового поля расширение доли многолетних бобовых трав вызывает закономерное увеличение содержания доминирующей фракции 1-5 мм.

3. Агрофизические свойства и специфичная почвенная структура являются динамичными показателями и существенно изменяются под влиянием включения в полевые севообороты многолетних трав в качестве мощного регулятора почвенного плодородия. Наряду с другими показателями, снижается негативное влияние длительной антропогенной нагрузки и стабилизируются агрофизические характеристики почвы.

4. Включение в полевые севообороты многолетних бобовых трав способствует структурной перестройке почвенной матрицы. Под влиянием бобовых трав с хорошо развитой корневой системой происходит структурная переорганизация почвенных агрегатов с уменьшением доли частиц 1-5 мм и образованием более крупных мезоагрегатов размером 5-10 мм.

5. С использованием математико-статистического анализа экспериментальных данных разработаны регрессионные модели зависимости плотности сложения от соотношения пор. Плотность сложения определяется, в первую очередь, общей порозностью, затем капиллярной и некапиллярной порозностью. Коэффициент достоверности аппроксимации изменялся в этом ряду соответственно 0,90; 0,63; 0,40. Большие значения параметра аппроксимации в севооборотах с участием многолетних бобовых трав указывают на достоверно более высокий рост межчастичных взаимодействий под влиянием хорошо развитой корневой системы и агрегацией почвенных частиц.

6. Отмечается достоверное уменьшение плотности сложения чернозема обыкновенного в севооборотах с участием многолетних трав и на последующей

культуре. В большинстве случаев статистически достоверное снижение плотности отмечается во всех видах севооборотов с участием различной доли многолетних трав, о чем свидетельствуют расчетные значения I-критерия.

7. Рост диапазона активной влаги обеспечивается вовлечением в почвенную структуру большего количества растительных остатков, обладающих повышенной гигроскопичностью и водоудерживающей способностью, качественной перестройкой структурных почвенных отдельностей, изменением порового пространства.

8. Эспарцет в фазу запашки вегетативной массы в полевых севооборотах увеличивает общую пористость в посевах первого года в верхнем слое 0-10 см на 0,29-3,66%. В посевах второго года в этом же слое общая пористость увеличивалась только на 0,6-1,23%. В нижележащих слоях почвы изменения пористости не установлено. Положительное воздействие эспарцета сохранилось и на последующей культуре - озимой пшенице. В пахотном слое общая пористость при однолетней культуре эспарцета увеличивалась на 2,066,83%, при двулетней - на 0,87-5,83%.

9. Установлено, что запасы продуктивной влаги в конце вегетации по всем видам севооборотов были близки, и колебания, наблюдаемые в ту или иную сторону были незначительными и, как правило, не выходили за пределы аналитической дисперсии. Особенно четко данная закономерность прослеживается в гумусовой толще почвы.

11. Хорошо развитая корневая система многолетних бобовых трав является мощным фактором, влияющим на биологическую активность, определяемую интенсивностью выделения углекислого газа. Биологическая активность почвы была максимальной в посевах второго года как непосредственно под эспарцетом, так и на последующих культурах севооборота. Севообороты с однолетним использованием эспарцета уступали по интенсивности дыхания двулетней культуре, но все же превосходили зернопаропропашной севооборот с однолетней бобовой культурой.

12. Установленная взаимосвязь количественных и качественных показателей агрофизических свойств дает возможность направлять регулирование почвенных процессов на основе севооборота, стабилизировать деградационные процессы и повышать продуктивность культур.

13. Максимальный чистый доход (7274-7755 руб./га) и уровень рентабельности обеспечивали 6-и 7-польные зернопаротравянопропашные севообороты. По уровню рентабельности 10-польный зернопаропропашной и 6-8-польные зернотравяные севообороты были примерно одинаковыми.

14. Введение в структуру полевых севооборотов многолетних бобовых трав в значительной мере повышает их продуктивность. Наибольший сбор кормовых единиц (2,48-2,55 т/га) обеспечивают зернотравяные севообороты с максимальной долей участия (63-67%) в их структуре зерновых.

15. Максимальный коэффициент энергетической эффективности (6,5-7,0) отмечен в зернопаротравянопропашном севообороте при общей продуктивности 2,34-2,46 т/га кормовых единиц.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ

1. В условиях юго-востока ЦЧЗ для эффективного регулирования плодородия чернозема обыкновенного, повышения производства сельскохозяйственной продукции необходимо использование научно обоснованных для зоны севооборотов с многолетними бобовыми травами, которые обеспечивают стабилизацию агрофизических свойств пахотных почв.

2. Для повышения продуктивности посевов и экономической эффективности производства рекомендуется внедрение зернопаропропашных, специализированных зерновых севооборотов с 1-м и 2-мя полями эспарцета. Введение бобовых трав в хозяйствах с развитым животноводством позволит существенно улучшить кормовую базу.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Абанина O.A. Опыт проектирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия в Воронежской области/ A.M. Новичихин, Б .А. Рыбалкин, М.И. Сальников, Т.И. Дьячкова, О.В. Турусов, O.A. Абанина //Земледелие.-2012.-№4.-С. 5-7.

2. Абанина O.A. Формирование адаптивных агроценозов многолетних бобовых трав/ А.У.Павлюченко, Л.А.Пискарева, Т.И. Дьячкова, O.A. Абанина//Земледелие.-2012.-№4.-С.-12-14.

3. Абанина O.A. Научное обеспечение и модернизация земледелия — залог успешного развития АПК/ В.И.Турусов, В.М. Гармашов, А.К. Свиридов, Т.И. Дьячкова, O.A. Абанина// Достижения науки и техники АПК.-2012.-№5.-С.42-44.

Публикации в других изданиях:

4. Абанина O.A. Эффективность многолетних трав в севооборотах различной специапизации/В.А. Кумицкая, Т.И. Дьячкова, O.A. Абанина// Матер. Междун. научно-практ. конференции «Актуальные проблемы повышения эффективности агропромышленного комплекса,- Курск: КГСХА, 2008.-С.307-309.

5. Абанина O.A. Засоренность и продуктивность зерновых культур в короткоротационных севооборотах/ В.И..Турусов, В.А. Кумицкая, Т.И. Михина, А.П. Киценко, Т.И. Дьячкова, O.A. Абанина// Матер. Территор. Координ. совета «Научно-практические основы сохранения и воспроизводства плодородия почв ЦЧЗ».- Каменная Степь, ГНУ НИИСХ ЦЧП им. Докучаева РАСХН, 2008.-С.108-109.

6. Абанина O.A. Оптимизация структуры посевов и севооборотов в эколого-ландшафтном земледелии Воронежской области/ В.Т. Рымарь, В.И.Турусов, В.А. Кумицкая, Т.И. Михина, Т.И. Дьячкова, А.П. Киценко, О.В. Турусов, O.A. Абанина// Рекомендации «Оптимизация структуры посевов и севооборотов в эколого-ландшафтном земледелии Воронежской области».-Воронеж:Истоки,2008.-30с.

7. Абанина O.A. Водно-физические свойства почвы в различных севооборотах/ В.И.Турусов, O.A. Абанииа// Матер.Территор. координац. совета«Пути сохранения плодородия почвы и повышения продуктивности с/х культур в адаптивно-ландшафтном земледелии Центрального Черноземья». Каменная Степь,2009. Ч. 1 .-С. 114-115.

8. Абанина O.A. Технология регулирования режима органического вещества почвы в ландшафтном земледелии ЦЧР// A.A. Спиваков, А.Ю. Квасов, A.A. Харьковский, A.B. Горбачева, В.И. Турусов, A.M. Новичихин, А.К. Свиридов, В.М. Гармашов, М.И.Сальников, И.М.Корнилов, Б.А. Рыбалкин, H.A. Нужная, Е.В. Недоцук, Я.В Груздева, Т.И. Дьячкова, O.A. Абанина// Рекомендации «Технология регулирования режима органического вещества почвы в ландшафтном земледелии ЦЧР». Воронеж: Истоки, 2010.- 44с.

9. Абанина O.A. Оптимизация физических свойств почвы в полевых севооборотах различной специализации/В .И. Турусов, O.A. Абанина// Матер. Междунар. конференции «Современные проблемы науки и образования»,-Москва, 27-29 февраля, 2012,- С. 115-117.

10. Абанина O.A. Биологическая активность почвы в посевах озимой пшеницы в зависимости от севооборотов и предшественников/В .И. Турусов, В.М. Гармашов, Н.В. Дронова, O.A. Абанина//Докучаевское наследие:итоги и перспективы развития научного земледелия в России. Сб. науч. докладов Международной научно-практической конференции «Особая экспедиция лесного департамента по испытанию и учету различных способов и приемов лесного и водного хозяйства в степях южной России» и 120 летию становления ГНУ «Воронежский НИИСХ им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии»,-Каменная Степь, 26-27 июня 2012.-С.319-323.

11. Абанина O.A. Влияние эспарцета на агрофизические свойства и плодородие почвы в различных севооборотах/В .И. Турусов, O.A. Абанина//Сб. науч. докладов Всероссийской школы молодых ученых и специалистов «Перспективные технологии для современного сельскохозяйственного производства». Каменная Степь, 28 июня 2012.- Воронеж: Истоки, -С.73-80.

12. Абанина O.A. Физические свойства почвы в посевах озимой пшеницы в зависимости от севооборотов и предшественников/ В.И.Турусов, В.М. Гармашов, Е.В. Теслина, Г.И. Михина, Т.И. Дьячкова, O.A. Абанина// Матер. Всеросс. научно-практ. конференции «Биологизация адаптивно-ландшафтной системы земледелия — основа повышения плодородия почвы, роста продуктивности с/х культур и сохранения окружающей среды».Белгород, 12-13 июля 2012.-С.299-301.

Подписано в печать 5.03.2013 г. Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,0. Заказ 31. Тираж 100 экз.

Отпечатано в издательстве Орел ГАУ, 2013, Орел, бульвар Победы, 19

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Абанина, Ольга Александровна, Каменная Степь

ю ю

со 8

Ю

в О

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВОРОНЕЖСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА им. В.В. ДОКУЧАЕВА (ГНУ Воронежский НИИСХ Россельхозакадемии)

На правах рукописи

АБАНИНА ОЛЬГА АЛЕКСАНДРОВНА

ВЛИЯНИЕ МНОГОЛЕТНИХ БОБОВЫХ ТРАВ НА АГРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПЛОДОРОДИЕ ПОЧВЫ В РАЗЛИЧНЫХ СЕВООБОРОТАХ ЮГО-ВОСТОКА ЦЧЗ

Специальность 06.01.01 - общее земледелие, растениеводство

ю

ц^ ДИССЕРТАЦИЯ

СО На соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научный руководитель:

доктор сельскохозяйственных наук,

СМ °

* ^ Оч1 член-корреспондент

Россельхозакадемии ТУРУСОВ в.и.

Каменная Степь - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................... 4

1. ПОЛЕВОЕ ТРАВОСЕЯНИЕ КАК ФАКТОР ОПТИМИЗАЦИИ И СТАБИЛИЗАЦИИ АГРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВЫ ... 9

1.1 Влияние многолетних бобовых трав на физические свойства почвы в севооборотах......................................................... 9

1.2 Водно-физические свойства почвы в севооборотах с различным насыщением многолетними бобовыми травами........................ 17

1.3 Воздушный режим почвы под культурами севооборота 19

2. ОБЪЕКТЫ, МЕТОДЫ И СХЕМА ИССЛЕДОВАНИИ.............. 24

2.1 Особенности климатических условий ЦЧЗ и почвенного покрова .. 24

2.2 Природные условия Каменной Степи................................... 27

2.3 Гидротермические условия в годы проведения исследований ... 31

2.4 Схема опыта, объекты и методы исследований..................... 35

3. ВЛИЯНИЕ МНОГОЛЕТНИХ БОБОВЫХ ТРАВ НА АГРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВЫ В РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ СЕВООБОРОТОВ................................................................. 38

3.1 Структурно-агрегатное состояние почвы................................. 38

3.2 Плотность сложения почвы в полевых севооборотах.................. 63

3.3 Водно-физические свойства почвы под многолетними травами разной продолжительности использования в полевых севооборотах ... 73

3.4 Динамика изменения строения и сложения пахотного слоя

почвы под культурами севооборота.......................................... 82

4. БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ПОЧВЫ ПОД КУЛЬТУРАМИ В РАЗЛИЧНЫХ СЕВООБОРОТАХ..........................................94

4.1 Интенсивность углекислотного газообмена в системе

«почва - приземный слой воздуха»........................................ 94

4.2 Биологическая активность различных слоев почвы под культурами севооборота........................................................................ 100

5. ВЛИЯНИЕ КУЛЬТУР СЕВООБОРОТА НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА В РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ СЕВООБОРОТОВ............105

6. ПРОДУКТИВНОСТЬ ПОЛЕВЫХ СЕВООБОРОТОВ С РАЗЛИЧНЫМ НАСЫЩЕНИЕМ МНОГОЛЕТНИМИ ТРАВАМИ..........................114

7. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ И БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ СЕВООБОРОТОВ........................................................................118

ВЫВОДЫ.......................................................................... 123

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ............................................................................126

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................................................127

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................................................................................148

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития систем земледелия предполагает создание сбалансированных, высокопродуктивных и устойчивых агроландшафтов, максимально адаптированных к природным условиям региона и обеспечивающих сохранение и повышение плодородия почв.

Решение проблемы сохранения и повышения плодородия почвы в традиционном земледелии связано с затратами значительного количества энергоемких ресурсов, зачастую невыполнимых, использование которых, как показывает действительность, всегда и не во всех регионах дает положительный эффект. Практика земледелия и многолетние исследования научных учреждений убедительно показывают, что длительное использование черноземов приводит к развитию негативных процессов: наряду с нарушением гумусового баланса, отчуждением питательных элементов и снижением общей биогенности происходит существенная деградация агрофизических свойств почвы. Вследствие недостаточного поступления в почву остаточной биомассы с оптимальным соотношением углерода к азоту, нарушения правил чередования полевых культур почвы уплотняются, снижается некапиллярная (крупная) пористость, ухудшается ее структурно-агрегатное состояние. За последние 100-150 лет уплотнение наблюдается на глубине 80-10 и даже 140 см. Установлено, что по колее тракторов плотность увеличивается на 0,04-0,12 г/см , содержание пылеватых частиц - на 20-50%.

В адаптивно-ландшафтных системах земледелия задача эффективного использования пашни наиболее успешно решается путем существенного повышения статуса севооборота как доступного и действенного агротехнического средства восстановления плодородия почвы и оптимизации ее агрофизических свойств. При подборе сельскохозяйственных культур в севообороте необходимо устанавливать такой порядок их чередования, который поддерживал бы уровень и направленность агрофизических процессов, способных обеспечить необходимое жизненное пространство и механическую опору живых организмов, обитающих в почве, обуславливая тем самым ее биоценотические функции.

В связи с этим важное значение для улучшения физических свойств почвы имеет введение в севооборот многолетних бобовых трав, агротехнический, экологический и средоулучшающий эффект которых является общепризнанным. В то же время, несмотря на значительное число публикаций, посвященных вопросам травосеяния, в большинстве из них рассматриваются агрохимические и биологические аспекты проблемы. Характеристика физических свойств при всеобщем признании важности последних в создании условий плодородия, как правило, отсутствует или представлена неполно. Не затрагивались также вопросы, связанные с оценкой фитомелиоративной и средоулучшающей роли многолетних трав в севооборотах различной специализации, основанной на биофизическом подходе, результативным показателем которого является интенсивность обмена образующихся в почве веществ с окружающей средой (Н.В. Шрамко, 2006).

Такой подход базируется на понимании того, что, наряду с физическими свойствами, наиболее характерным проявлением жизненных явлений в почве являются почвенные газы, так как, по мнению В.И. Вернадского и А.Г. Дояренко, именно газы представляют собой интегральный показатель частных обменных процессов множества взаимодействующих с почвенной средой организмов.

Недостаточно в условиях региона изучены процессы накопления и динамики Са, № в почве под многолетними травами. Они, как известно, принимают непосредственное участие как в создании, так и в разрушении структурных агрегатов и существенно влияют на другие агрофизические и биологические свойства.

В процессе совершенствования севооборотов, их биологизации и экологизации пока еще не создана достаточная научная база данных для разработки методических подходов к прогнозированию уровня плодородия чернозема в севооборотах с многолетними травами. Особенно это касается агрофизических аспектов полевого травосеяния в севооборотах различной специализации.

Цель исследований: разработать пути оптимизации агрофизических свойств чернозема обыкновенного и повышения эффективности земледелия на основе использования эспарцета в звене полевых севооборотов.

В исследованиях решались следующие задачи:

1. Изучить влияние эспарцета на структурно-агрегатное состояние почвы в различных севооборотах.

2. Установить закономерности изменения плотности сложения почвы, ее строения в севооборотах с многолетними травами различной продолжительности использования.

3. Выявить характер и закономерности изменения водно-физических свойств почвы, определить эффективность использования влаги в звеньях севооборотов с эспарцетом.

4. Изучить динамику биологической активности почвы и процесса углекислотного газообмена в системе «почва - приземный слой воздуха» под эспарцетом.

5. Оценить влияние эспарцета на содержание в почве Са,]У^,№.

6. Исследовать закономерности изменения продуктивности севооборотов с эспарцетом и оценить эффективность использования ресурсов плодородия почвы на основе информационно-энергетического анализа.

Положения, выносимые на защиту:

1. Закономерности изменения агрофизических свойств почв пахотного слоя в севооборотах с эспарцетом.

2. Оценка роли севооборотов с разным насыщением эспарцетом в оптимизации водно-физических, физико-химических и биологических свойств почвы и в снижении их деградации.

3. Закономерности изменения продуктивности и экономической эффективности различных видов севооборотов с эспарцетом.

Научная новизна исследований. Для условий юго-востока ЦЧЗ проведены комплексные исследования изменения агрофизических свойств черноземов в современных интенсивных полевых севооборотах. Получены новые экспериментальные данные по эффективности включения бобовых трав в полевые севообороты, их влияния на показатели плодородия почвы и продуктивность возделываемых культур. Дана оценка изменения агрофизических

параметров состояния плодородия почвы в полевых севооборотах. На основе полученного экспериментального материала разработаны пути снижения деградации физических свойств черноземных почв при их интенсивном сельскохозяйственном использовании в современных адаптивно-ландшафтных системах земледелия.

Выявлена зависимость трансформации физических характеристик плодородия почвы, связанная с введением в севооборот многолетних бобовых трав. Определена взаимосвязь агрофизических параметров чернозема обыкновенного с его биологическими свойствами и требованиями полевых культур.

Практическая значимость. Результаты проведённых научных исследований расширяют знания о влиянии многолетних бобовых трав на физические, физико-химические и биологические свойства черноземных почв, что позволит при их правильном применении повысить продуктивность севооборотов, устойчивость земледелия и стабилизировать плодородие почвы.

Доказана возможность улучшения физических, физико-химических и биологических свойств черноземных почв за счет оптимизации структуры посевов путем расширения доли многолетних бобовых трав в севооборотах.

Основные результаты исследований могут быть использованы для совершенствования систем земледелия Центрально-Черноземной зоны России и снижения деградационных процессов черноземов на основе использования полевого травосеяния. Материалы исследований рекомендуется использовать в проектировании современных адаптивно-ландшафтных систем земледелия, при чтении дисциплин растениеводство, земледелие, агропочвоведение по профильным специальностям в высших учебных заведениях.

Экспериментальные данные вошли составной частью в рекомендации «Оптимизация структуры посевов и севооборотов в эколого-ландшафтном земледелии Воронежской области», в «Научно обоснованные системы ведения агропромышленного комплекса Воронежской области», включены в книгу: «Адаптивно-ландшафтные системы земледелия Воронежской области».

7

Организация исследований: Исследования проводились в рамках выполнения задания 02.01.02 «Усовершенствовать севообороты и структуру посевных площадей в хозяйствах различной специализации с целью обеспечения устойчивой продуктивности земель и сохранения биоразнообразия в агроланд-шафтах».

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждены и получили положительную оценку на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы повышения эффективности агропромышленного комплекса» 23-25 января 2008 г., г. Курск, на Международной конференции «Современные проблемы науки и образования» 27-29 февраля 2012г., г. Москва, а также на заседаниях Проблемного и Ученого советов ГНУ Воронежский НИИСХ Россельхозакадемии, на заседании Территориального координационного совета «Научно-практические основы сохранения и воспроизводства плодородия почв ЦЧЗ» 25-26 июня 2008г., Каменная Степь, на заседании Территориального координационного совета «Пути сохранения плодородия почвы и повышения продуктивности сельскохозяйственных культур в адаптивно-ландшафтном земледелии Центрального Черноземья» 29 мая 2009 г., Каменная Степь, на заседании Всероссийской школы молодых ученых и специалистов по теме: «Перспективные технологии для современного сельскохозяйственного производства» 27-28 июня 2012г., Каменная Степь.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литературы из 211 наименования, в том числе 14 на иностранных языках, предложений производству и 28 приложений. Работа изложена на 178 страницах печатного текста, включает 21 таблицу, 33 рисунка.

1. ПОЛЕВОЕ ТРАВОСЕЯНИЕ КАК ФАКТОР ОПТИМИЗАЦИИ И СТАБИЛИЗАЦИИ АГРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВЫ

1.1 Влияние многолетних бобовых трав на физические свойства почвы

в севооборотах

Значение физических свойств почвы для ее плодородия никогда не подвергалось сомнению. В настоящее время в условиях ускоренной интенсификации земледелия, с увеличением антропогенных нагрузок на почву все острее встает проблема деградации физических свойств почв, а в связи с этим и проблема сохранения и восстановления условий плодородия (В.В. Медведев, 1988;).

Оптимальные физические свойства почв - одно из непременных условий почвенного плодородия. Это актуально и для черноземов, обладающих большими потенциальными возможностями обеспечения растений питательными веществами, которые часто не реализуются именно из-за ухудшения агрофизических свойств почв (Бондарев А.Г., 1977; P. Menning, 1983; J. Lhotsky, 1984; H.Vereecken, 1989; Castro Filho C., 2002; L.J. MunMilom, 2002; Боронтов O.K., 2010; Хасанова Р.Ф., 2010).

В земледелии всегда уделялось и уделяется большое внимание изучению плотности сложения почв. Считается, что этот показатель оказывает значительное воздействие на рост и продуктивность растений, интенсивность почвенных режимов и процессов (Бахтин П.У., 1969; Долгов С.И., 1970; Ревут И.Б., 1972; Нарциссов В.П., 1978; Павлюченко А.У., 1986).

Характеризуя процесс почвообразования и факторы, его обуславливающие, П.А. Костычев (1948) на первое место выдвигал физические свойства почвы, особенно плотность ее сложения. И.Б. Ревут (1972) считал, что с плотностью сложения связан весь комплекс физических и биофизических процессов в почве (Васильев A.M. и др., 1965; Tissdall J.M.,OadesJ.M.,1982; Мамедов Р.Г., 1990; Смирнов Б.А., Шахрай A.A., 2008; Безменко A.A., Зинченко B.C., 2010;).

Большую исследовательскую работу по изучению плотности почвы, как фактора плодородия, в нашей стране провели И.Б. Ревут (1961, 1962, 1972), А.И. Шевлягин (1961, 1968), А.Х. Атаманюк (1964, 1968), A.M. Васильев (1965, 1976),

9

А.П. Коломиец (1969, 1978), H.A. Наумов (1969, 1977), Н.Л. Кураченко (2010) и ряд других исследователей. Результаты их исследований позволяют считать плотность сложения почвы понятием почвенно-зональным, зависящим от свойств почвы (гранулометрического состава, содержания органического вещества, структурности, влажности и т. д.), ее окультуренности и климатических условий зоны.

Изучение закономерностей между плотностью сложения почвы и развитием культурных растений является одной из главных задач теоретического обоснования оптимального чередования сельскохозяйственных культур в современных севооборотах (Шрамко Н.В., 2006).

В настоящее время установлено, что каждой возделываемой культуре в зависимости от почвенно-климатических условий соответствует своя оптимальная плотность, при которой происходит нормальное развитие растений и формируется высокая урожайность культур (Иванов П.К., Коробова Л.И., 1969; Коломиец

A.П., 1969; Медведев В.В., 1990). Оптимальной плотностью сложения пахотного слоя серых лесных суглинистых почв Западной Сибири для яровых зерновых и

о

бобовых культур считается 1,0-1,1 г/см (Кузнецов П.М., Вилесов Т.Т., 1969; Орлова А.Н., 1968). Правда, такая плотность почвы, по мнению Т.Т. Вилесова, оптимальна лишь в условиях вегетации с малым количеством осадков и низкой естественной влажностью почвы.

Многие исследователи отмечают, что для большинства полевых культур оптимальная плотность сложения находится в пределах 1,1-1,3 г/см3 (Дудкин

B.М., 1967; Ревут И.Б., 1972; Боронтов O.K., 2010; Державин Л.М., 2006). Так максимальная урожайность ячменя (25,1 ц/га) получена при плотности почвы 1,2

3 3

г/см , минимальная (18,0 ц/га) - при самом рыхлом ее сложении 0,9 г/см . Кукуруза обеспечивала наибольшую урожайность при значениях 1,0-1,1 г/см , однолетние травы (вико-овес) - при 1,1-1,2 г/см3. Уменьшение или увеличение плотности от оптимальных значений сопряжено со снижением продуктивности (Яковлев В.Х., Непейвода В.П., 2006). Оптимальные значения плотности почвы

установлены также для масличных культур (Васильев Д.С., 1990; Тишков Н.М., 2006).

И.Б. Ревут, И.И. Кочурова (1960) в вегетационных опытах на подзолистых почвах установили оптимальную плотность дл