Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Влияние цементной пыли на агрономические свойства и продуктивность каштановых супесчаных почв Бурятии

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Влияние цементной пыли на агрономические свойства и продуктивность каштановых супесчаных почв Бурятии"

ПБ ОД

9 '

- " На правах рукописи

ЧЕЛПАНОВ Геннадий Уладаевич

ВЛИЯНИЕ ЦЕМЕНТНОЙ ПЫЛИ НА АГРОНОМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПРОДУКТИВНОСТЬ КАШТАНОВЫХ СУПЕСЧАНЫХ ПОЧВ БУРЯТИИ

06.01.03. "Агропочвоведение"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Улан-Удэ -

1598

Работа выполнена на кафедре почвоведения Бурятской государственной сельскохозяйственной академии

Научные руководители: доктор сельскохозяйственных наук..

профессор 1 И.А.Ишигенов]

доктор биологических наук А.И.Куликов

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук

В.И.Дугаров кандидат биологических наук, доцент B.C. Баженов

Ведущее учреждение: Бурятский научно-исследовательский институт сельского хозяйства СО РАСХН

даник диссертационного совета К.120.79.02. при Бурятской государственной сельскохозяйственной академии по адесу:670024, г.Улан-Удэ,ул.Пушкина,8

С диссертацией можно ознакомиться з Научной библиотеке Бурятской государственной сельскохозяйственной академии.

* А

Автореферат разослан " гдде г.

Ученый секретер:

час на засе

диссертационного Совета

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность.

Каштановые супесчаные почвы являются основным пахотным фондом Бурятии. Однако продуктивность этих почв невысока, чему способствуют неблагоприятные физические и физико-химические свойства. Усугубляющим фактором являются эрозионные явления и дегумификация, что на фоне резкоконтинентального и аридного климата еще больше дестабилизирует продуктивность богарного земледелия. В настоящее время важно изыскать местные ресурсы для восстановления плодородия каштановых почв, повышения экологической устойчивости и продуктивности при минимальных затратах и высокой эффективности. В этой связи представляет интерес использование в качестве мелиоранта цементную пыль, одновременно решая задачу утилизации промышленных отходов Тимлюйского цементного завода. Актуальной становится проблема познания специфики взаимодействия цементной пыли с легкими каштановыми почвами и оценки ее агромелиоративного эффекта.

Цель исследований заключается в установлении количественных закономерностей изменения комплекса физических, агрохимических свойств и водного режима каштановых супесчаных почв под влиянием минерального мелиоранта (цементной пыли) и органо-минерального компоста (мелиорант+навоз).

Для достижения этой цели решены следующие задачи:

1. Изучить влияние мелиоранта и компоста на агрофизические свойства почв, в том числе на удельную поверхность, энергетические параметры влаги и режим влажности;

2. Определить и количественно установить временную изменчивость параметров гумусного состояния, рН, плотности заряда на твердофазной поверхности и обеспеченности почв подвижными элементами питания в связи с применением минерального мелиоранта, органики и органо-минерального компоста;

3. Оценить эколого-мелиоративный эффект цементной пыли и его компостов с позиции энергетического подхода и рекомендовать для практического использования экологически и агропроизводственно оптимальные нормы внесения мелиоранта и органо-минерального компоста в каштановые супесчаные почвы.

Предмет защиты составляют следующие положения:

- внесение минерального мелиоранта и компоста из него в каштановые супесчаные почвы вызывает увеличение тонкодисперсных фракций и удельной поверхности, вследствие чего возрастает гидроадсорбционная способность, а также способность к агрегатообразова-нию, при этом происходит достоверное увеличение объемной массы;

- минеральный мелиорант при внесении в умеренных дозах в виде моносубстрата, а особенно в виде компоста с органикой, не вызывает экологически-опасных сдвигов в величине водородного показателя, но при этом происходит статистически достоверное увеличение емкости катионного поглощения и плотности заряда катионов на твердофазной поверхности;

- трансформация физического сложения почвы, состава и содержания гумуса и, ,.как следствие, улучшение условий влагообеспечен-ности и режима питательных веществ при оптимальных дозах мелиоранта и компоста, установленных в опыте графо-аналитическим методом, вызывают повышение урожайности и экологической устойчивости легких почв. Эколого-агромелиоративный эффект оценивается в энергетических единицах.

Научная новизна исследований. Впервые изучен структурно-агрегатный состав каштановых супесчаных почв Бурятии и закономерности его изменения при внесении разных доз тонкодисперсного мелиоранта в виде цементной пыли, представленной, как в моносубстрате, так и в органо-минеральном компостированном виде (мелиорант в разной до-зировке+навоз);

- выведены математико-статистические зависимости и предложены рекомендательные прогнозы по оптимизации физического сложения пахотного слоя и содержания в нем питательных веществ.

- оценка эколого-агромелиоративного эффекта цементной пыли проведена в энергетических единицах с широким привлечением матема-тико-статистических методов.

Практическая значимость. В результате экспериментальных исследований наработан практический опыт применения цементной пыли, как минерального (в моносубстрате), так и органо-минерального (в компосте мелиорант+навоз) мелиоранта. Предлагаемые нами научно-обоснованные дозы мелиоранта и органо-минерального компоста могут внести реальный вклад в дело повышения биопродуктивности и охраны почвенного покрова, как основы устойчивого развития региона. Отдельные положения и разделы работы могут быть включены в план

лекций и практических занятий студентов агрономических факультетов ВУЗов по основам математической статистики, физико-химии и мелиорации почв, а также для преподавания и изучения эколого-знергети-ческого подхода в оценке эффективности производства.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на агрономических конференциях ( г. Улан-Удэ, 1988г.,1990г.), на конференции молодых ученых (г. Улан-Удэ, 1985г.,1987г.), на конференции "Проблемы географии Байкальского региона".-Улан-Удэ,1996г., неоднократно на заседаниях кафедр земледелия, почвоведения и агрохимии. Материалы, которые легли в основу диссертации, изложены в пяти печатных работах. Работа рассмотрена на Совете агрономического факультета БГСХА и рекомендована к защите.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста и содержит 32 таблицы, 8 рисунков. Список литературы включает 124 источника, из них б работ иностранных авторов.

ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ КАШТАНОВЫХ ПОЧВ

Основной ареал каштановых почв приурочен к днищам обширных межгорных котлоеин, заложенных в мезозойское время (котловины забайкальского типа) и в более позднее время, совпадающее с четвертичным возрождением горных систем (котловины байкальского типа). В связи с горно-экспозиционными климатическими эффектами небольшие участки каштановых почв по инсоляционным склонам проникают далеко на север в зону бореальных лесов и высоко в горы в пояс лиственнично-соеноЕой тайги.

Для климатического фона каштановых почв характерна отрицательная среднегодовая температура воздуха (-0,5...-2°С), большая температурная амплитуда колебаний (от -20...-35°С в январе до 25°С - в иоле) и суженный (100-110 дней) безморозный период. Сумма активных температур воздуха (>10°С) не превышает 2000°С.

Каштановые почвы формируются при небольшой норме атмосферных осадков - 225-300 мм, которые к тому же выпадают в основной своей массе (до 70%) в течение июля и августа. Поэтому первая половина вегетационного сезона очень засушливая, в агротехническом комплексе очень важно предусмотреть мероприятия по влагозадержанию. Твердые осадки заметного участия во влагопотребдени-»: у. форкпреганич

урожая не принимают.

С геологической историей формирования литологического строения пород и геоморфологического облика котловин связана специфика гранулометрического состава каштановых почв. Эти почвы в подавляющем своем большинстве имеют супесчаный состав, унаследованный от породы. Отложения мощного осадочного чехла из песков в котловинах связывают со среднечетвертичным максимальным оледенением в горах (Осадчий, 1995), когда происходило подпруживание рек ледниками и образование единого Байкало-Селенгинского суперводоема.

По исследованиям сотрудников Лаборатории физики и эколого-ме-лиоративного мониторинга почв Бурятского института биологии СО РАН, установлено, что наиболее распространенные пески кривоярской свиты в естественном залегании диагностируются преимущественно бимодальными полигонами распределения. Антропогенно индуцированное переотложение вызывает упрощение полигонов распределения до одно-модального вида. Среди фракций начинает абсолютно преобладать (до 90%) мелкий песок. Своеобразие гранулометрического состава песков Иволгинской впадины в заметном увеличении содержания фракции крупной пыли. Породы такого состава Д.-Д.Б.Базаров (1981) называет забайкальскими лессами.

Сухие степи на каштановых почвах характеризуются изреженным низкопродуктивным травостоем при доминировании дерновинных злаков. Суровые условия вызвали приспособительные признаки, здесь сформирована особая жизненная форма в виде растений-куртинок (Рещиков, 1965). В настоящее время естественный травостой сохранился на небольших площадях, однако и они подвержены интенсивной пастбищной дигрессии. Сохранились только устойчивые к вытаптыванию растительные формации. В степях Забайкалья неуклонно идет процесс потери биологического разнообразия, чему также способствует деградация почвенного покрова.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Ввиду особой практической значимости каштановых почв, они достаточно подробно изучены (Макеев, 1955; Уфимцева, 1960, 1967; Ногина, 1964; Ишигенов, 1972; Волкозинцер, 1978; Копосов, 1983; Кузьмин, 1988 и др.). Имеющаяся информация обобщена и разработаны интегрирующие статистические модели строения и свойств каштановых почв (Куликов и др., 1993).

Изученные почвы по своему морфологическому облику и свойствам являются типичным представителем каштановых почв и по параметрам варьирования мощности горизонтов и свойств соответствуют статистической модели. Гумусово-аккумулятивный горизонт имеет небольшую мощность, порожистую структуру и подвержен дефляционному разрушению. Карбонатный горизонт представлен мучнистыми формами буровато-белесого цвета, имеет выдержанное простирание и достаточно большую (30-50 см) мощность.

Реакция почвенного раствора нейтральная, в карбонатном горизонте слабощелочная. Содержание гумуса невысокое (в пределах 1-1,5%), равно как и общего азота. По количеству подвижных питательных веществ каштановые почвы относятся к разряду низкообеспеченных, поэтому они отзывчивы на минеральные удобрения (Ревенский, 1385; Лапухин и др., 1989; Убугунов и др., 1989; Абашеева, 1992).

Особо примечательным является легкий - супесчаный - гранулометрический состав каштановых почв, определяющий все основные аг-ропроизводственные свойства. Эти почвы излишне аэрированы, маловлагоемки (при влажности НВ в 1-м слое удерживают всего до 170 мм подвешенной влаги) и высоко водопроницаемы (за 1-й час впитывается 138 мм воды). Неблагоприятные агрофизические свойства и низкая продуктивность каштановых почв требуют мелиоративной коррекции.

Цементная пыль Тимлюйского завода представляет собой тонкодисперсную рыхлую массу светло-серого цвета. Содержание частиц <0,001мм равно 98 ± 2% при удельной массе твердой фазы 2,8 г/см3 и объемной массе скелета 1,6±0,01 г/см3. В химическом составе преобладает СаО (48,4%). Содержание БЮг составляет 13,5%, а Б^Оз -6,0%. Тяжелых металлов содержится на уровне ниже ПДК и близко к кларковым значениям. По составу она мало отличается от пыли других заводов и соответствует стандарту известковой муки.

Изучение влияния цементной пыли, как минерального мелиоранта и органо-минеральных компостов из нее, проводилось в вегетационном и многолетних полевых опытах по известным методикам (Доспехов, 1968; Журбицкий, 1968; Юдин, 1971 и др.). Почвенные исследования проводились с использованием современных лабораторных и полевых методов (Аринушкина, 1970; Агрохимические методы..., 1975; Вадюнина, Корчагина, 1986 и др.). Результаты обрабатывались математике- статистическими методами (Плохинский, 1960; Вольф, 1966; Дмитриев, 1972 и др.).

Минеральный мелиорант вносился б дозах 4. 8, 12, 16 ?/:-г в

- б -

моносубстрате, а также в этих же дозах в компосте с навозом 30 т/га. Минеральный и органо-минеральный мелиоранты вносились в 1983 году под Еспашку. Высевалась яровая рожь на зеленую массу. Агротех-нологический комплекс соответствовал "Зональной системе земледелия" (1989).

АГРОФИЗИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ МИНЕРАЛЬНОГО И ОРГДНО-МИНЕРАЛЬНОГО МЕЛИОРАНТОВ

При формальном анализе сущность физической мелиорации легких почв заключается в направленном изменении характера кумулятивной кривой гранулометрического состава и, тем самым, его структурных характеристик, в частности, действующего и контролирующего диаметров частиц. По анализу точек структурных характеристик на кумуля-те делается вывод о возможности направленного регулирования фильтрационных свойств почв путем изменения числа Рейнольдса и капил-лярно-сорбционных свойств путем изменения соотношения фаз.

Г

До5Ы ме/шорантой, м/га_

Рис. Диаграмма содержания илистой фракции в слое 0-ю (1-й столбик), 10-20 (2-й столбик), 20-30 см (3-й столбик). Варианты: 1 - контроль, дозы мелиоранта: 2 - 4, 3 - 8, 4 - 12, 5 - 16 т/га; б, ?, 8, 9 - те же дозы на фоне навоза 30 т/га.

В полевых опытах (Челпанов, Куликов, 1997) с внесением минерального мелиоранта показано устойчивое возрастание содержания поверхностно-активной фракции ила (рис.). На фоне навоза минеральная пыль дает дополнительный эффект вследствие поступления с ним в почву органических коллоидов. Это доказывается статистическими расчетами достоверности различия парных выборок. Глубокие структурные изменения в гранулометрическом составе видны по увеличению энтропии (рассчитано по известной формуле Шеннона) от 2,1136 яа контроле до 2,1874. бита на варианте с дозой пыли 12 т/г& на фоне

навоза.

Каштановые почвы имеют низкую удельную поверхность (39-40 м2/г). При внесении тонкодисперсного мелиоранта в максимальной дозе (16 т/га) удельная поверхность почвы возрастает до 54-55 м2/г. Совокупное действие минерального мелиоранта с навозом вызывает дальнейший рост удельной поверхности почв.

Неблагоприятные агрономические свойства каштановых почв проявляются в особенностях агрегатного состава. Он характеризуется преобладанием мелких (<0,25 мм) и средних (3-0,25 мм) фракций. Содержание крупных (10-3 мм) агрегатов также высоко (26-35 %), однако их агрономическая ценность невелика, т.к. при Еоздействиии воды они почти полностью разрушаются. Примечательно, что содержание ме-зоагрегатов мало различается как после сухого, так и после мокрого просеивания. Содержание этих де агрегатов хорошо реагирует на физическую мелиорацию. На вариантах положительная разность с контролем возрастает на 12-13% при сухом просеивании.

После 3-х лет контактирования почв с мелиорантом водоустойчивость мезоагрегатов возрастает. Так, она возросла на 1,4% на варианте с внесением мономелиоранта 16 т/га и на 6,1% - на варианте с аналогичной дозой мелиоранта на фоне навоза. При внесении навоза в моносубстрате количество водопрочных агрегатов средней размерности возрастает на 10%. Внесение мелиорантов способствует микроагрега-тообразованию, фактор дисперсности снижается от 21-33% до 9-16% на варианте с мелиорантом 16 т/га, до 4-8% - на варианте с этой же дозой на фене навоза.

Получены регрессионные уравнения:

Аз-0.25- 28,8+0,290м; г- 0.993 Аз-о.25- 32.3+0,310к; г- 0.967 Аз-0,25™ 35.8+0,0440н; г- 0.973, По ним можно прогнозировать количество водопрочных мезоагрегатов по внесенной дозе минерального мелиоранта (Ом), органо-минерально-го мелиоранта Шк) или навоза (0Н).

При внесении мелиоранта почвы проявляют склонность к уплотнению, что можно было бы считать благоприятным для излишне воздухо-и водопроницаемых почв. Однако явления, близкие к слитизации в подпахотном слое (ссоемная масса достигает значений 1,54-1,56 г/см3), предупреждают о необходимости ограничиться внесением средних (до 8 и не более 12 т/га) доз мелиоранта. Органика в моносуб-стратэ однозначно вызывает разуплотнение пота.

На вариантах с математически достоверной разницей плотности почв через три года заметно увеличивается капиллярная порозносгь, а наименьшая влагоемкость в 20-см слое на вариантах с моносубстратом минеральной пыли возрастает на 6-8 мм, ас органическим фоном до 11 мм,' или до 110 м3/га, что составляет весьма существенную прибавку для маловлагоемких каштановых почв сухих степей.

На основе, экспериментально определенной удельной поверхности по методу Б.Н.Мичурина (1975) расчитано капиллярно-сорбционное давление почвенной влаги. Установлено, что наращивание дозы СаСОз способствует растеканию влаги наименьшей влагоемкости по твердофазной поверхности с превращением части объемной влаги в пленочную. В результате энергетика удержания влаги почвой повышается, а давление падает от -0,3 до -0,4...-0,6 атм. Это подтверждается экспериментами Е.Эпштейна (Epstein, 1975).

Водный режим почв Бурятии изучался большой плеядой исследователей (Макеев, Очиров, 1966; Ногина, 1964-, Цыбжитов, 1971; Втору-шин, 1982; Абашеева и др., 1983; Дугаров, Куликов, 1990 и др.).

Полевые исследования каштановых почв показали, что обычное состояние влаги в пределах пахотного слоя - это категория ВЗ, ВЗ-ВРК. Ниже возрастает встречаемость влаги ВЗ-ВРК, наблюдается влага " категории ВРК-НВ. На эпюре влажности выделяется максимум влажности на глубине залегания карбонатов. По В.П.Панфилову (1973) поровое пространство этого горизонта своеобразно, стенки пор выстланы мелкокристаллическим кальцитом, а выходные отверстия пор имеют суженный диаметр или закупорены карбонатными пробками. Влага в такой системе пор слабо подвижна, дискретизирована. Указанные особенности также характерны для карбонатного горизонта мерзлотных почв (Куликов и др, 1986). Наши данные указывают на справедливость мнения этих авторов считать карбонатные горизонты почв универсальными гидротепловыми барьерами.

ЭЕапотранспирационный расход из изученных почв колеблется от 135 до 290 мм. Основу расхода составляют атмосферные осадки - 70%. Только в засушливые годы участие почвенного влагозапаса возрастает до 42-48% от суммарного влагопотребления.

Тем самым водный резгам каштановых почв мало удовлетворителен для сельскохозяйственных культур, особенно в Еесенне-раннелетний период. В этой связи важно, что минеральный мелиорант как в моносубстрате, так и в совокупности с органикой вызывает повышение Ее-сеннего продуктивного влагозапаса, причем в засушливые годы отно-

сительное накопление влаги в мелиорированных почвах больше. Так, в неблагоприятном по атмосферному увлажнению 1985 г. мелиорант уже в дозе 4 т/га вызывал увеличение общего запаса влаги в 50-см слое на 10-15 мм при максимуме, составляющем на варианте с мелиорантом 12 т/га на фоне навоза, более 30 мм.

ВЛИЯНИЕ МЕЛИОРАНТА И ОРГАНО-МИНЕРАЛЬНОГО КОМПОСТА НА АГРОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Почвообразование и гумусообразование - неразрывно связанные процессы. С гумусом в функциональной связи находится такое важное свойство почв как противостоять внешним деструктивным процессам и выполнять такую биосферно и хозяйственно важную функцию как производить биопродукцию. К сожалению дисфункциональное землепользование приводит к потере гумуса почвами. По оценкам А.И.Куликова и др. (1992) каштановые почвы Забайкалья за XX столетие утеряли до 70% гумусного фонда. Эта оценка согласуется с данными других авторов (Макунина, 1989; Розанов, Таргульян, 1989). Для установления положительного баланса гумуса в Бурятии необходимо вносить только в паровой клин навоза 50-60 тыс.т/га в год (Ишигенов, Максимов, 1989). Между тем, ресурсы органических удобрений ограничены всего 4 тыс.т/год. Отсюда вытекает необходимость резкого повышения эффективности органики и поиска альтернативных ей материалов.

В модельных и полевых экспериментах установлена (Челпа-нов, 1984; Челпанов, Стайсупова, 1987) возможность повышения содержания гумуса в каштановых почвах путем внесения цементной пыли как в моносубстрате, так и особенно в органо-компостированном виде. За три года исследований математически достоверное увеличение содержания гумуса произошло на вариантах с повышенными дозами мелиорантов на фоне навоза 30 т/га. Видимо, в этом случае улучшаются условия стабилизации молодых гумусовых кислот на вновь организованной твердой поверхности. Наибольшая абсолютная разность за период три года достигает 0,08-0,12%, достоверная на уровне Р>0,99.

Имеет место тенденция к изменению качественного состава гумуса. Это выражается в тенденции увеличения фульватности гумуса. Видимо новообразование гумуса происходит преимущественно за счет слабоконденсированных фульвокислот. Среди последних к 3-му году исследований заметно возрастает количество только фракции II. Это же характерно для фракции ГК-II. Это и понятно, причиной тому служит внесение кальцийсодержащего мелиоранта. Некоторое повышение

содержания фульво- и гуминовых кислот фракции III обязано улучшением закрепляемое™ кислот на твердой поверхности мелиоранта.

Стандартный набор ионов в водной вытяжке позволяет провести термодинамические расчеты (Орлов, 1985), в частности прогнозировать поведение карбонатно-кальциевой системы при внесении в почву мелиоранта. По соотношению активности ионов гидроксония при насыщенном растворе СаСОз и их фактической активности (рННас= 7,3> рНфак= 6.9) делается вывод о наличии агрессивного СОг, вызывающего растворение вносимого с мелиорантом кальция.

Действительно, в полевых опытах получено, что при внесении в почву минерального мелиоранта происходит подщелачивание почвенной среды. Однако при самой высокой дозировке мелиоранта в моносубстрате через три года рН не увеличивается больше, чем до 8-8,1. Учитывая долговременность установления нового равновесия в карбонатно- кальциевой системе, как показывают расчеты, для предотвращения явного подщелачивания в практике необходимо вносить цементную пыль в средней дозировке (не более 12 т/га).

Показательным, агрономически и экологически важным следствием физической мелиорации легких почв является увеличение емкости ка-тионного обмена. Оно проявляется при сравнении с контролем в виде статистически значимой разности на вариантах с внесением мономелиоранта с дозировкой от 4 до 12 т/га (с 9,9±0,16 до 12,1-13,1*0,57 мг-экв./ЮО г почвы), а при этих же дозах мелиоранта в бинарном мелиоранте физико-химическая поглотительная способность возрастает в два раза (до 23,5±0,52 мг-экв/100 г почвы). Применение более высокой дозы физического мелиоранта уже не имеет ожидаемого эффекта.

Это весьма важное следствие физической мелиорации находит подтверждение в плотности заряда на адсорбирующей поверхности, для определения которой имеется методика (Витязев, Рабий, 1978). По нашим расчетам, основанным на экспериментачьно определенной величине удельной поверхности, на единицу активной поверхности твердых частиц приходится заряда катионов: в почве без физического мелиоранта 2,48-10~3 мг-зкв./м2, в почве с мелиорантом 4 т/га - 2,93-•10~3 мг-экв./м2, далее при повышении дозировки плотность заряда снижается. В почве с органо-минеральным мелиорантом плотность заряда катионов резко возрастает до 3,79-Ю-3 и 4,57-Ю-3 мг-экв./м2 соответственно при дозах минеральной пыли в составе компоста 4 и 8 т/га, с повышением дозировки наблюдается понижение плотности заряда. Как видно, между дозами тонкодисперсного мелиоранта и

плотностью заряда нет прямой зависимости, что объясняется опережающим ростом величины удельной поверхности.

Состояние азотной обеспеченности почв оценивалось по нитратному азоту, приемлемость которого для этой цели показана рядом исследователей (Гамзиков, 1981; Бурлакова, 1984 и др.). Изученные почвы обеспечены азотной пищей для растений в крайне незначительных (3,95±0,20 мг/кг - контроль) количествах. Внесение минерального мелиоранта в моносубстрате в первый год не улучшает ситуацию. Однако в компосте с навозом по мере увеличения дозы минерального материала содержание N-N03 увеличивается от 4,40 ±0,15 до 14,25±0,20 мг/кг. По истечении 3-х лет происходит достоверное увеличение N-N03 на всех вариантах, что объясняется как увеличением урожайности культур, а значит, разложением органики, более богатой азотом, так и дополнительным поступлением азота при окислении навоза.

По шкале, разработанной В.А.Фоминым и др. (1989), изученные каштановые почвы обычно имеют низкую обеспеченность подвижным фосфором. Примечательно, что уже в первый год исследования при внесении минерального мелиоранта с навозом содержание Р2О5 статистически значимо возрастает от 15,7±0,70 (контроль) до 17-19 мг/100 г почвы и больше, а обеспеченность через три года становится средней. При этом на вариантах с мономелиорантом отмечается ухудшение фосфорной обеспеченности, а через три года ситуация еще более усугубляется.

Каштановые почвы отличаются низкой обеспеченностью подвижным калием. Внесение повышенных доз минерального мелиоранта вызывает незначительное (с 5,6 до 7,8±0,2 мг/100 г) изменение содержания К2О. Это более заметно (содержание КгО возрастает до 19,7±1,36 мг/100 г) происходит по фону органического удобрения, что обусловлено как поступлением калия с минеральной пылью и навозом, так и его высвобождения из обменного комплекса почвы.

Анализом двухфакторного дисперсионного комплекса доклзано, что дисперсия зависимой переменной (N-N03, Р2О5, КгО) на 59-94% обусловлена дозировкой мелиоранта, тогда как сила влияния погодных условий составляет всего 3-24% при вероятности ошибки Р<0,05--0,001.

УРОЖАЙНОСТЬ В СВЯЗИ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕЛИОРАНТА: ЭКОЛОГО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКМЕ АСПЕКТЫ

Агрономический эффект мелиорантов проверен по интегральному показателю - урожайности,- в нашем случае это была надземная биомасса яровой ржи. Установлено, что зависимость урожай-доза подчиняется показательным и экспоненциальным уравнениям: у- 34+ 2,10-х0' 562 у- 33+ 8,05-х0'580 у- 48- 14.е-0.1107х

х - дозы мелиорантов,

где у - урожаи, логарифма.

основание натурального

Таблица 1

Влияние минерального мелиоранта и органо-минерального компоста на урожай воздушно-сухой надземной массы яровой ржи, ц/га

Варианты Год CI эеднее за 3 года

1983 1984 1985 Урожай Прибавка/%

1. Контроль

2. Мелиорант 4 т/га

3. Мелиорант 8 т/га

4. Мелиорант 12 т/га

5. Мелиорант 16 т/га

НСРо.95 Сила елияния мелиоранта, %

1.

69.3 73.5 79.0 80.2 82.3 7.2

37.0 39.4 40.9 44.0 38.7 3.4

47.4

49.0 56.8

58.1 55.3

6.2

51.2 54.0 58.9 60.8 58.8 5.2

37q.Q5 47о.95 75о.99 64о.99

Контороль 71.9 39.6 48.2 53.2

Навоз 30 т/га (фон) 79.4 45.8 53.2 59.5

3. Фон+Мелиорант 4 т/га 95.6 51.5 61.8 69.6

4. Фон+Мелиорант 8 т/га 99.4 53.0 66.5 73.0

5. Фон+Мелиорант 12 т/га 102.7 55.4 66.7 74.9

6. Фон+Мелиорант 16 т/га 104.0 55.6 73.1 77.6

НСРо.95 16.2 7.9 12.2 12.3

Сща влияния компоста,

% 76о.99 71о.99 79o.gg 81q,999

- /100 2.8/106 7.7/115 9.5/119 7.5/115 - / -

- /100 6.3/112 16.4/131 19.8/137 21.7/141 24.4/146 - / -

Также дан уровень вероятной достоверности

В полевых микроделяночных (5x2 м) опытах получено, что урожайность растет от 51,2 до 60,8 ц/га по мере увеличения дозы мелиоранта, однако при ее повышении до 16 т/га получаемая биомасса ржи начинает падать (табл.1). Чем лучше условия года, тем эффект мели-

орантов вше. Примечательно, что при внесении навоза в моносубстратном виде в дозах 30, 60, 90, 120 т/га, даже при очень высокой дозировке органики, урожайный эффект не столь значителен, как при внесении цементной пыли на фоне органики, что указывает на синергизм взаимодействия компонентов органо-минерального компоста с почвой, обусловленный оптимизацией агрофизических свойств почв (гранулометрический и структурно-агрегатный составы, удельная поверхность, водоудерживащая способность), наряду с увеличением емкости поглощения при сохранении естественного соотношения обменного кальция к магнию, нерезкого изменения рН почвенного раствора при одновременном повышении содержания питательных веществ. Наименьшая существенная разница (НСР) при Р>0,95, свидетельствует о достоверности разницы выборочных средних над их ошибками. Главные эффекты организованных факторов (Плохинский, 1963, Дмитриев, 1972) - дозы мономинерального мелиоранта и органики и их компостое -на дисперсию урожая влияют весьма существенно (от 37 до 84% всего дисперсионного комплекса на уровнях вероятности Р>0,95). Очевидна более сильная зависимость урожая от доз минерального мелиоранта, вносимых на фоне органики.

Продолжением кривой доза-эффект на левую часть до пересечения с осью абсцисс расчитываем коэффициент затрат почвенных ресурсов плодородия и вносимых мелиорантов в эквивалентных единицах (Ох):

Сх= Хпэ+Хт/Ут,

где Хпэ - почвенные ресурсы плодородия, обеспечивающие получение урожая без мелиорантов; Хт - количество мелиорантов, при котором достигается максимальная урожайность (Уш) при данных климатических и агротехнических условиях. Для опытов с внесением органо-мине-ралького компоста Сх= 11+15.2/80- 0.33 т/ц, а моносубстрата навоза Сх= 110+105/68= 3.16 т/ц. Это означает, что при планировании максимального урожая необходимо затратить цементной пыли на фоне навоза (30 т/га) в количестве 0.33 т на каждый центнер, а чистого навоза около 3.2 т на каждый центнер.

В сельскохозяйственной практике обычно более часто необходимо рассчитывать на экономически целесообразную урожайность. Для этого следует определить затраты мелиорантов Cxi= Хпэ+ХМ1/У, где У -планируемая целесообразная урожайность.

А.С.Образцов (1990) на основе многочисленных опытов пришел к выводу о хозяйственной выгодности таких расчетов. Оказалось, что при расчете на максимальный урожай с использованием коэффициента

(Cxi) фактическая урожайность меньше всего на 10%, а затраты веществ при этом уменьшаются уже на 25%.

Из результатов наших полевых исследований следует, что для получения оптимально-запланированного урожая при минимальных затратах на каштановых почвах необходимо вносить минерального мелиоранта на фоне органики Cxi= 11+2/60= 0.22 т/ц, а навоза в моносубстрате Cxi- 110+40/60= 2.5 т/ц.

Сельское хозяйство является основной отраслью, использующей даровую солнечную энергию. По мере развития цивилизованное общество все больше затрачивает энергии для производства продуктов питания. Так, несмотря на увеличение продуктивности сельскохозяйственного производства, положительный энергетический баланс снижается. Если энергетические затраты при мотыжном земледелии (6-7 тыс.лет назад) составляли 30-45 МДж/га, то при залежно-переложном - 40-100 Щж/га, а при современном интенсивном (агрохимико-, водо-, тепло-мелиоративный комплекс+современное энергетическое и техническое оснащение) - около 10000-ЮОООО МДж/га (Коринец, 1988). Это означает усиление воздействия на почву и ее негативные изменения. Энергетический прессинг настоятельно требует разработки мероприятий , по его компенсации, в том числе путем внесения поверхностно-энергоемких материалов, в нашем случае внесения в почвы тонкодисперсной цементной пыли.

Эколого-знергетический эффект цементной пыли состоит в обогащении почвы внутренней энергией (Челпанов, Куликов, 1997). Установлено, что с каждой тонной мелиоранта почва дополнительно приобретает внутренней энергии в количестве 28,4-Ю6 кДж. Эта энергия совершает работу по изменению структурно-агрегатного состояния почв и повышению способности мелиорируемых легких каштановых почв к самоорганизации.

Главнейшие функции почв как самоорганизующихся систем осуществляются через органическое вещество. Как уже указывалось, содержание гумуса в каштановых почвах за XX столетие резко снижается. Также происходит и снижение величины энергии, связанной в гумусе. В гумусе (слой 0-0,5 м) каштановых почв Бурятии содержится 1,б-1015 кДж энергии (Куликов А., Куликов М., 1995). Однако в связи с постоянно идущими потерями, по расчетам сотрудников Лаборатории физики и зколого-мелиоративного мониторинга почв Бурятского института биологии СО РАН, ожидается, что к 2000 году содержание энергии в гумусссфере степей Байкальского региона снизится до

1,13-Ю15 кДж.

Для того, чтобы приостановить процесс деградации каштановых почв, а затем добиться положительного сальдо в энергетическом балансе гумуса необходимы мелиоративные мероприятия.

Принимая удельную энергоемкость гумуса, равной 23-Ю9 кДж/кг, нашли, что при внесении минерального мелиоранта как в моносубстрате, так и особенно в виде органо-минерального компоста количество связанной биохимической энергии в почве возрастает. За три года эксперимента наибольшая прибавка в энергосодержании гумуса отмечается на вариантах внесения органо-минерального компоста, причем энергетически более выгодна доза 8 т/га минерального мелиоранта в составе компоста, т.к. количество накопленной здесь энергии в гумусе (7,83) мало уступает (7,99-Ю8 кДж/га) максимальной (16 т/га) дозе мелиоранта.

Повышение содержания энергии гумуса можно напрямую связать с повышением свободной энергии почвы. А это значит, что возрастает ее способность противостоять энерго-энтропийным процессам деградации, т.е. повышается ее способность к самоорганизации, или,иными словами,растет экологическая устойчивость.

Таблица 2

Соотношение совокупных затрат энергии с энергетикой урожая, МДж/га

Варианты Энергетика Затраты Соотношение

урожая, Уэ энергии, Е3 Еэ:Уэ

1. Контроль 53760 3236 0,060

2. Мелиорант 4 т/га 56700 6364 0,112

3. Мелиорант 8 т/га 61850 9522 0,154

4. Мелиорант 12 т/га 63840 12679 0,198

ь. Мелиорант 16 т/га 61740 15837 0,256

По удельной энергоемкости надземной биомассы яровой ржи (Оуд-1050 МДж/ц) рассчитано содержание энергии в урожае (табл.2). Совокупные затраты энергии на получение урожая по мере увеличения доз мелиоранта возрастают, одновременно растет удельная энергоемкость единицы получаемой с урожаем полезной энергии, что видно по расширения соотношения ЕЭ:УЭ от 0,06 до 0,255.

выводы

1. Формирование агрономических свойств каштановых почв Бурятии происходит при криоаридном климате и унаследованном от материнской породы легком гранулометрическом составе, что обусловливает их высокую воздухо- и водопроницаемость, слабую выраженность ценных агрегатов, пониженную влагоудерживающую способность, катионную емкость и обеспеченность подвижными питательными веществами;

2. Внесение в почву цементной пыли как тонкодисперсного физического мелиоранта, особенно в виде компоста с навозом, вызывает увеличение содержания илистой фракции с изменением энтропии гранулометрического состава от 2,1136 до 2,1874 бита, что указывает на его благоприятное усложнение, при этом удельная поверхность твердой фазы возрастает от 40 до 54 м2/г;

3. Влияние минерального мелиоранта на агрегатный состав проявляется в основном в повышении количества средней (3-0,25 мм) фракции (от 33 до 56%), в том числе водопрочной (от 31 до 45%) и возрастании способности к микроагрегатообразованию, о чем свидетельствует падение фактора дисперсности от 21-46% (контроль) до 3,5-30% (на вариантах опытов);

4. Минеральный мелиорант способствует уменьшению обильной фильтрации влаги и ее сбросу в нижние слои за счет некоторого снижения плотности сложения скелета, при этом увеличивается диапазон активной влаги; статистически достоверная (Р>0,95) прибавка последнего составляет 9 мм, что весьма существенно для сухостепных ландшафтов. В основе этого лежит рост доли объемной влаги по сравнению с пленочной, хотя давление влаги при этом в виду роста удельной поверхности снижается от -0,30 до -0,59 атм; В полевых опытах установлено, что при внесении минерального мелиоранта в весеннем стартовом влагозапасе в слое 0-50 см резервируется дополнительное (до 7-9 мм) количество влаги;

5. Математически доказано влияние минерального мелиоранта на увеличение содержания гумуса, особенно заметное на вариантах мелиорант+навоз (достоверная разность с контролем достигает 0,1%), при некоторой его фульватизации к 3-му году исследованиий, особенно возрастает количество 2-й фракции кислот, связываемых кальций-содержащим минеральным мелиорантом;

6. Изменение активности ионов водорода доказано термодинамическим расчетом и в полевом опыте. Минеральный мелиорант вызывает заметное подщелачиЕание (до рН-8) почвенного раствора только при высоких дозах (>12 т/га). При этом емкость катионного обмена возрастает в два раза, однако большие дозы пылевого материала (>12 т/га) как в моносубстрате, так и в органо-минеральном компосте не сопровождаются ее дальнейшим увеличением, что также показано расчетом плотности катионного заряда на твердофазной поверхности;

7. Минеральный мелиорант в моносубстрате и в совокупном действии с навозом служит основой для повышения эффективного плодородия каштановых почв, что проявляется в виде математически достоверного увеличения содержания подвижных веществ (N-N03 Р2О5, К2О) во времени;

8. Зависимость доза-урожай подчиняется показательным и экспоненциальным уравнениям. Наибольшие эффект и зависимость дисперсии урожая получены от доз минерального мелиоранта, вносимого в компосте с органикой. Выявлено повышение внутренней энергии мелиорированных почв и энергоемкости гумуса, на оптимальном варианте относительно контроля достигающей 1,1-Ю5 МДж/га, при прибавке энергии в урожае, равной 10080 МДж/га;

9. Анализом зависимости доза-урожай и расчетами, в том числе соотношения совокупных производственных затрат энергии на получение ценной энергии с урожаем, установлено, что эколого-энергети-ческий и производственный эффект наиболее полно проявляется при внесении цементной пыли в моносубстрате в дозах 6-8 т/га, а в компосте с навозом - до 12 т/га.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Челпанов Г.У. Влияние цементной пыли на плодородие легких каштановых почв Бурятии // Молодые ученые - сельскому хозяйству Сибири и Дальнего Востока / Тез.докл.- Улан-Удэ, 1985.- С.33-34.

2. Челпанов Г.У., Стайсупова А.Д. Влияние кальцийсодержащего мелиоранта и навоза на валовс? содержание я состав гумуса // В»слрд молодых биологов в решение вопросов Продовольственной программы и охраны окружающей среды / Тез.докл.- Улан-Удэ, 1987.- С.20-21.

3. Челпанов Г.У. и др. Видовой состав сорных р-?.ст?ний в сухостоиной зоне Бурятской АССР и некоторые аФиЧ'йс-о-т л% ь-^-Нлх:^

в результате применения мелиорантов // Тр.Бурятского сельскохо-ственного. института.- Улан-Удэ, 1991. - С.20-25

. 4. Челпанов Г.У., Куликов А.И. Эколого-энергетические параметры дегумификационных процессов в степных ландшафтах и эффективности физической мелиорации почв // Материалы научно-практической конференции "Проблемы географии Байкальского региона", посвященной памяти ученого-географа Б.Р.Буянтуева.- Улан-Удэ: БГУ, 1997.-С.123-132.

5. Челпанов Г.У. Агрофизический эффект минерального мелиоранта и органо-минерального компоста на каштановых почвах Бурятии // Тр.Бурятской государственной сельскохозяйственной академии.-- Улан-Удэ, 1998. - С.4?-£Гб