Влияние сельскохозяйственных культур, известкования и удобрений на реакцию почвенной среды и кальциевый режим дерново-подзолистых суглинистых почв

На правах рукописи

РЫБАКОВА Ольга Ивановна

ВЛИЯНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР,

ИЗВЕСТКОВАНИЯ И УДОБРЕНИЙ НА РЕАКЦИЮ ПОЧВЕННОЙ СРЕДЫ И КАЛЬЦИЕВЫЙ РЕЖИМ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ СУГЛИНИСТЫХ ПОЧВ

Специальность 06.01.04 – агрохимия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата сельскохозяйственных наук

Москва 2007

Диссертационная работа выполнена в лаборатории известкования Всероссийского научно-исследовательского института агрохимии имени

Д.Н. Прянишникова (ВНИИА).

Научный руководитель:	Доктор биологических наук, профессор Аканова Наталья Ивановна
Официальные оппоненты:	Доктор сельскохозяйственных наук, Лобода Борис Павлович Кандидат биологических наук Яковлева Надежда Николаевна
Ведущее предприятие:	Российский Государственный Аграрный Заочный Университет (РГАЗУ)

Защита состоится «15» мая 2007 года в 1530 часов на заседании диссертационного совета Д 006.049.01 при Научно-исследовательском институте сельского хозяйства Центральных районов Нечерноземной зоны

Адрес: 143026, Московская область, Одинцовский р-н, п/о Немчиновка-1, ул. Калинина, дом 1.

Телефоны: (095) 591-91-83, факс (095) 591-86-03.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИСХ ЦРНЗ.

Приглашаем Вас принять участие в работе совета или прислать свой отзыв в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, по адресу, указанному выше.

Автореферат разослан «____» ________ 2007 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.С. Мерзликин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Приоритетными направлениями современной сельскохозяйственной науки являются решение продовольственных и экологических проблем, напрямую связанных с сохранением и повышением плодородия почв.

Значительная часть пашни России расположена на дерново-подзолистых почвах, многие свойства которых не совсем благоприятны для роста и развития сельскохозяйственных культур, к ним относятся высокая кислотность, низкая оструктуренность и низкая степень насыщенности ППК основаниями.

Регулирование реакции среды и кальциевого режима почв под сельскохозяйственными культурами в севообороте, является первостепенным приемом повышения плодородия дерново-подзолистых почв и роста урожаев возделываемых культур в Нечерноземной зоне. В данном случае известкование является основным приемом устранения почвенной кислотности. На его эффективность влияют многие факторы, среди которых сроки и технология внесения известковых удобрений, место их внесения в севообороте, система обработки почвы.

Большой вклад в разработку научно-практических основ устранения кислотности почв внесли И.А. Стебут, Д.Н. Прянишников, О.К. Кедров-Зихман, Н.С. Авдонин, И.А. Шильников, А.Н. Небольсин, В.А. Величко, Л.Н. Лебедева и другие.

Природно-климатические условия и ресурсные возможности Нечерноземной зоны Европейской части России, а также сложившаяся структура посевных площадей, определили стратегическое значение химизации сельского хозяйства. Химизация земледелия ведёт к росту урожайности сельскохозяйственных культур, вместе с этим усиливается вымывание применяемых удобрений и подкисление почв. Углубление наших знаний о превращении питательных элементов в агроэкосистемах, влиянии сельскохозяйственных культур и средств химизации земледелия на реакцию почвенной среды и кальциевый режим дерново-подзолистых почв позволит разработать приемы увеличения отдачи питательных веществ на единицу урожая и использования природных ресурсов.

Цель и задачи исследований. Исследования проводились с целью изучения влияния сельскохозяйственных культур, севооборота, известкования и удобрений на реакцию почвенной среды, состав почвенно-поглощающего комплекса, кальциевый режим дерново-подзолистых суглинистых почв и урожайность сельскохозяйственных культур.

Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:

- выявить влияние сельскохозяйственных культур, возделываемых бессменно и в севообороте, а также известкования и удобрений на реакцию почвенной среды, состав ППК и кальциевый режим почвы;

- изучить действие сельскохозяйственных культур, известкования и удобрений на калийный и фосфатный режимы почвы;

- оценить влияние известкования и удобрений на содержание и мобилизацию тяжелых металлов под сельскохозяйственными культурами, возделываемых бессменно и в севообороте;

- изучить влияние насыщения севооборотов многолетними травами на окультуривание почв, биологический круговорот кальция в агроценозах и кислотно-основные свойства почвы;

- провести комплексную оценку влияния известкования и удобрений на урожайность сельскохозяйственных культур, возделываемых бессменно и в севообороте.

- рассчитать баланс кальция и обосновать необходимость оптимизации реакции почвенной среды дерново-подзолистых почв в полевых севооборотах.

Научная новизна. Впервые в длительном полевом опыте (более 90 лет) установлены закономерности влияния сельскохозяйственных культур, возделываемых бессменно и в севообороте, известкования и удобрений на почвенно-поглощающий комплекс, реакцию почвенной среды и кальциевый режим дерново-подзолистой почвы; отношение сельскохозяйственных культур к поддерживающему известкованию; установлены масштабы биологического круговорота кальция в полевых севооборотах с различным насыщением многолетними травами и влияние их на реакцию почвенной среды и обменные основания; приведен прогноз подкисления почв и дана эколого-токсикологическая оценка влияния известкования и удобрений на содержание тяжелых металлов в почве.

Практическая значимость. На основании результатов исследований выявлены и рекомендованы для разработки моделей адаптивно-ландшафтных систем земледелия закономерности изменения и воспроизводства реакции почвенной среды благоприятной для роста и развития сельскохозяйственных культур, возделываемых в полевых севооборотах и повышения их продуктивности.

Апробация работы. По результатам исследований сделаны доклады на 2-х международных научных конференциях ВНИИА в 2004, 2005 годах.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе одна в журнале Перечня ВАК – Агрохимический вестник.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 122 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, выводов, предложений производству, приложений, содержит 28 таблиц и 7 рисунков. Список использованной литературы включает 240 наименований, в том числе 34 на иностранном языке.

Автор признательна научному руководителю доктору биологических наук, профессору Н.И. Акановой за постоянную поддержку при выполнении настоящей работы, профессору А.Ф. Сафонову и сотрудникам кафедры земледелия и МОД РГАУ – МСХА имени К.А. Тимирязева за предоставленную возможность проведения исследований в длительном полевом опыте и методическую помощь при проведении полевых исследований, доктору сельскохозяйственных наук В.Н. Шептухову за помощь в проведении исследований биологического круговорота кальция в полевых севооборотах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Отношение растений к кислотности и кальциевый режим дерново-подзолистых почв (обзор литературы). В главе проведена систематизация имеющейся обширной информации об отношении сельскохозяйственных культур к кислотности и их влиянию на физико-химические свойства почвы. Рассмотрены аспекты известкования дерново-подзолистых почв и экологическая роль кальция в современном земледелии. Показано, что сельскохозяйственные культуры выносят разное количество кальция и влияют на биологическую аккумуляцию в пахотном слое и баланс выше указанного элемента в почвах. Отмечается значительная вариация по потерям кальция из почвы. Подчеркивается, что в научной литературе недостаточно информации по влиянию сельскохозяйственных культур, возделываемых бессменно и в севообороте на физико-химические свойства и кальциевый режим дерново-подзолистых почв и роли севооборота в оптимизации реакции среды и кальциевого режима дерново-подзолистых почв.

Глава 2. Объекты, методы и условия проведения исследований. Основные полевые исследования проведены в 2001 – 2006 гг. в длительном полевом опыте кафедры земледелия и МОД РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, заложенном в 1912 году профессором А.Г. Дояренко на территории Полевой опытной станции. Лабораторные исследования выполнены во Всероссийском научно-исследовательском институте агрохимии имени Д.Н. Прянишникова. Выбор объектов обусловлен поставленной целью, а также тем, что в предшествующий период на указанном многолетнем полевом опыте выполнялась обширная программа наблюдений, позволившая выявить действие изучавшихся факторов на показатели плодородия дерново-подзолистых почв и урожайность сельскохозяйственных культур.

Почва опыта дерново-подзолистая легкосуглинистая на моренном суглинке. В течение 95 лет схема опыта принципиально не изменилась (рис. 1).

СЕВООБОРОТ

БЕССМЕННО

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

131

К

А

Р

Т

О

Ф

Е

Л

Ь

121

П

А

Р

132

Я

Ч

М

Е

Н

Ь

122

О

З

И

М

А

Я

Р

О

Ж

Ь

133

К

Л

Е

В

Е

Р

123

К

А

Р

Т

О

Ф

Е

Л

Ь

134

Л

Ё

Н

124

Я

Ч

М

Е

Н

Ь

135

П

А

Р

125

К

Л

Е

В

Е

Р

136

О

З

И

М.

Р

О

Ж

Ь

126

Л

Ё

Н

N

P

K

O4

NP

NK

PK

NPK+НАВ

NPK

N

P

K

O4

NP

NK

PK

NPK+НАВ

NPK

НА-ВОЗ

O11

- БЕЗ ИЗВЕСТКОВАНИЯ

- ПОСЛЕ ИЗВЕСТКОВАНИЯ

Рис.1 Схема длительного опыта ТСХА и размещение полевых культур в 2004 г.

В опыте с 1912 года бессменно и в севообороте, без удобрений и с различными их вариантами применения, возделываются озимая рожь, картофель, овес (с 1973 г. ячмень), клевер (с 1973 по 1983 гг. – озимая пшеница), лен и содержится поле «вечного» пара. С 1949 года введено известкование в качестве одного из изучаемых факторов.

Подробное описание схема опыта и программа исследований приводятся в диссертации.

Агротехнические мероприятия в севообороте и на бессменных посевах полевых культур осуществляются общим фоном и в оптимальные сроки.

Программа наблюдений и учетов включала определение кислотности, состава обменных оснований (Сa2+, Mg2+, K+и Н+), активности и баланса кальция, содержание подвижных форм фосфора и обменного калия, тяжелых металлов в дерново-подзолистой почве, а также изучение влияния известкования и удобрений на урожайность полевых культур.

При проведении лабораторных и полевых исследований использовали принятые в научных учреждениях методики.

Содержание гумуса определяли по И.В. Тюрину (в модификации ЦИНАО) с фотоколориметрическим окончанием (ГОСТ 26213 – 84).

Определение кислотности почвы (рНKCl) проводили потенциометрическим методом в модификации ЦИНАО (ОСТ 4649 – 76).

Содержания обменных кальция и магния в фильтрате определяли на атомно- абсорбционном спектрофотометре марки ASS в 1н KCl вытяжке при соотношении почва раствор 1:2,5 (ОСТ 26483-85).

Гидролитическую кислотность определяли по Каппену в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26212-84).

Определение степени насыщенности почв основаниями проводили расчетным методом.

Содержание P2O5 и K2O определяли по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26207-84).

Валовое содержание тяжелых металлов определяли при разложении проб почвы HNO3 (1:1). Подвижные формы в ацетатно-аммонийном буферном растворе с рН-4,8.

Урожайность учитывали методом сплошной уборки поделяночно.

Полученные данные обрабатывали методами математической статистики, дисперсионного и корреляционно-регрессионного анализа для многофакторных опытов.

Температура воздуха в период проведения исследований (2001-2005 гг.) была заметно теплее среднемноголетних данных. А количество осадков было близким к среднемноголетним данным за столетний период. Колебания температуры в годы исследований в вегетационный период были незначительными, так средняя температура наиболее теплого месяца июля была в пределах от +19,20С в 2004 г. до 23,10С в 2002 году. Среднегодовое количество осадков в период исследований было близким к среднемноголетним. Среднегодовая сумма осадков за столетний период составила 637,6 мм, а за период 2001-2005 гг. 729,1 мм. Однако распределение осадков по месяцам сильно различалось по годам исследований. Так, в 2001 году в мае выпало 40,7 мм осадков, а в 2002 году лишь 6,5 мм.

В целом погодные условия в годы проведения исследований были благоприятными для роста и развития сельскохозяйственных растений. Аномальных явлений в этот период не наблюдалось. Задержек проведения полевых работ и нарушений агротехнологий из-за погодных условий не было.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Глава 3. Влияние известкования и удобрений на состав обменных катионов ППК почвы, активность кальция, реакцию почвенной среды и содержание подвижных форм фосфора, обменного калия и тяжелых металлов в почве.

3.1. Емкость катионного обмена и состав почвенно-поглощающего комплекса почвы. Емкость катионного обмена и состав почвенно-поглощающего комплекса (ППК) дерново-подзолистых почв, используемых в земледелии, претерпевает значительные изменения под действием известкования, минеральных удобрений, механической обработки почвы и агротехники возделывания сельскохозяйственных культур. Для дерново-подзолистых целинных почв характерна низкая емкость катионного обмена (ЕКО) и преобладание в составе ППК протона водорода и катионов алюминия. Даже длительное использование их как пахотные угодья без известкования и удобрений не приводит к существенному изменению состава катионов ППК (табл. 1).

Сумма катионов водорода, кальция, магния и калия в этих почвах по полям севооборота варьирует в пределах 6-7 мг-экв/100 г почвы. Среди катионов ППК без известкования преобладают протоны водорода: от 2,17 мг-экв/100 г почвы на вариантах внесения полного минерального удобрения и навоза под озимой рожью и ячменем до 4,18 мг-экв/100 г почвы на варианте полного минерального удобрения под клевером.

Известкование приводит к существенному изменению почвенно-поглощающего комплекса. В его составе в 2-3 раза уменьшается содержание протона водорода и возрастает содержание обменных оснований. При известковании улучшается соотношение кальция и магния в почве.

При длительном применении минеральных удобрений наблюдается тенденция увеличение суммы поглощенных катионов под озимой рожью, ячме нем и клевером, возделываемы бессменно и в севобороте, как по извести

1. Влияние сельскохозяйственных культур, известкования и удобрений на состав катионов ППК дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы (мг-экв/100 г почвы)

Культура	Севооборот
	Без удобрений					NPK					NPK + навоз
	Сум-ма кати-онов	K+	Ca2+	Mg2+	H+	Сум-ма кати-онов	K+	Ca2+	Mg2+	H+	Сум-ма кати-онов	K+	Ca2+	Mg2+	H+
		без известкования после известкования					без известкования после известкования					без известкования после известкования
Озимая рожь	5,68 5,96	0,06 0,06	1,50 3,25	0,41 1,63	2,71 1,02	6,50 7,37	0,19 0,25	2,40 3,60	0,63 2,07	3,28 1,45	6,44 7,93	0,26 0,26	3,10 4,10	0,91 2,01	2,17 1,56
Ячмень	6,05 6,30	0,08 0,10	2,37 3,68	0,86 1,59	2,74 0,93	6,19 6,60	0,20 0,22	2,02 3,82	0,59 1,41	3,38 1,15	6,72 7,71	0,23 0,24	3,28 4,71	1,04 1,69	2,17 1,07
Клевер	7,92 7,20	0,14 0,14	2,90 2,5	0,94 1,16	3,94 1,40	8,97 9,08	0,16 0,23	3,40 4,90	1,23 2,13	4,18 1,82	7,52 7,81	0,14 0,19	3,25 4,00	0,94 2,08	3,19 1,54
Картофель	7,37 7,37	0,20 0,23	2,75 4,00	0,91 1,95	3,51 1,19	7,03 7,82	0,22 0,18	3,00 4,25	0,88 2,13	2,93 1,26	7,16 7,48	0,21 0,15	3,1 4,1	0,91 2,07	2,94 1,16

так и без извести.

Изменение состава почвенно-поглощающего комплекса говорит о положительном влиянии известковых, минеральных и органических удобрений на катионо-обменные свойства дерново-подзолистых почв.

Приведенные на рисунках 2 - 4 данные четко показывают роль известкования в регулировании состава ППК и влияние минеральных удобрений на соотношение протона водорода, кальция, магния и калия в составе почвенно-поглощающего комплекса.

Без известкования в составе почвенно-поглощающего комплекса преобладает протон водорода. На вариантах без известкования доля протона водорода более 50%. Длительное применение минеральных удобрений без известкования, особенно с навозом приводит к увеличению в составе ППК катионов кальция, магния и калия (рис. 2). При длительном внесении навоза, хотя и преобладают катионы кальция в составе ППК, но остается большая доля протона водорода. И только известкование приводит к коренному изменению состава почвенно-поглощающего комплекса почвы (рис. 3).

Таким образом, при длительном внесении удобрений отмечается тенденция увеличения емкости катионного обмена (ЕКО) дерново-подзолистой почвы. Ёмкость катионного обмена почвы на вариантах опыта увеличивается в ряду: без удобрений < NPK < NPK+навоз. Наиболее существенное влияние факторы интенсификации оказывают на состав катионов ППК.

3.2. Состав ППК и степень насыщенности почв основаниями. Дерново-подзолистые почвы характеризуются очень низкой (менее 30,0%) и низкой (30,1-50,0%) степенью насыщенности основаниями. В силу своих природных особенностей они легко подвергаются изменению степени насыщенности основаниями при сельскохозяйственном использовании. Мероприятия по повышению плодородия дерново-подзолистых почв (известкование, внесение навоза в рекомендованных дозах, соблюдение севооборотов, посев многолетних трав способствуют увеличению степени насыщенности основаниями почв до среднего (60,9-66,5%) и повышенного уровня (86,2%).

Сельскохозяйственные культуры по сравнению с чистым паром положительно действуют на степень насыщенности основаниями почвы (табл. 2)

2. Влияние сельскохозяйственных культур, возделываемых бессменно и без удобрений на степень насыщенности основаниями почвы

Культура	Без известкования			После известкования
	S	Нr	V, %	S	Нr	V, %
	мг-экв/100 г почвы			мг-экв/100 г почвы
Чистый пар	2,88	4,82	37,4	-	-	-
Озимая рожь	5,45	2,74	66,5	7,01	1,12	86,2
Ячмень	5,07	2,79	64,5	6,20	1,03	85,7
Клевер	5,76	2,94	66,2	6,66	1,40	82,6
Картофель	4,69	3,01	60,9	6,47	1,2	84,3

Различия по влиянию сельскохозяйственных культур на степень насыщенности основаниями почвы были незначительны. Наименьшее значение степени насыщенности основаниями почв было под картофелем – 60,9 % и наивысшим под озимой рожью – 66,5 %. При периодическом известковании степень насыщенности основаниями наименьшей была под клевером (82,6 %) и более высокой под озимой рожью (86,2 %).

При длительном применении только минеральных удобрений в севообороте наблюдается тенденция снижения степени насыщенности основаниями почвы по сравнению с контролем (без удобрений), хотя сумма обменных оснований в среднем по севообороту возрастала на 0,85 мг-экв/100 г почвы (табл. 3).

3. Влияние удобрений на степень насыщенности основаниями ППК дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы

Культура	Без удобрений			NPK			NPK+навоз
	S	Нr	V, %	S	Нr	V, %	S	Нr	V, %
	мг-экв/100 г почвы			мг-экв/100 г почвы			мг-экв/100 г почвы
Озимая рожь	1,91* 3,88	2,71 1,02	41,3 79,1	3,03 5,67	3,28 1,45	48,0 79,6	4,01 6,11	2,17 1,56	64,8 79,7
Ячмень	3,23 5,27	2,74 0,93	54,1 85,0	2,61 5,23	3,38 1,41	43,6 78,7	4,32 6,40	2,17 1,07	66,5 85,6
Клевер	3,84 3,66	3,94 1,40	49,3 72,3	4,63 7,03	4,18 1,82	52,5 79,4	4,19 6,08	3,19 1,54	56,7 79,8
Картофель	3,66 5,95	3,51 1,19	51,0 83,3	3,88 6,38	2,93 1,26	56,9 83,5	4,01 6,17	2,94 1,16	57,7 84,2
В среднем по севообороту	2,91 4,69	3,22 1,13	47,4 80,6	3,54 6,08	3,44 1,48	44,3 80,4	4,13 6,19	2,61 1,33	61,2 82,3

* числитель – без известкования, знаменатель – после известкования

Степень насыщенности основаниями почв была выше на варианте NPK по сравнению с контролем под озимой рожью на 6,7 %, картофелем – 5,9 %, клевером – 3,2 % и ниже под ячменем на 10,5 %.

На фоне известкования отмечаются такие же закономерности действия минеральных удобрений на степень насыщенности основаниями почвы. По нашему мнению, действие минеральных удобрений на состав почвенно-поглощающего комплекса во многом зависит от почвенно-экологических условий, в которых возделываются сельскохозяйственные культуры, гранулометрического состава почвы и возделываемых культур в севообороте.

При всех условиях опыта внесение органических удобрений способствовало закреплению и накоплению кальция и магния в пахотном слое дерново-подзолистых суглинистых почв.

Таким образом, возделывание сельскохозяйственных культур, известкование, применение минеральных удобрений и внесение навоза приводит к увеличению степени насыщенности основаниями пахотного слоя дерново-подзолистых почв. По положительному влиянию на катионообменные свойства почвы агротехнические приемы возделывания сельскохозяйственных культур располагаются в ряду: минеральные удобрения < полевые культуры < навоз.

3.3. Активность кальция под культурами, возделываемыми бессменно и в севообороте. Активность кальция зависит от периодичности известкования и внесения удобрений. Установлено, что периодическое внесение известкового материала приводит к увеличению активности кальция, как в севообороте, так и при бессменном возделывании озимой ржи, клевера, картофеля (табл. 4).

4. Активность кальция под озимой рожью, клевером и картофелем, возделываемых бессменно и в севообороте, мг/л (2004 г)

Варианты удобрений	Бессменно		Севооборот
	Без известкования	После известкования	Без известкования	После известкования
	Озимая рожь
Контроль	4,24	4,67	3,57	4,54
NРК	2,62	2,81	1,88	4,53
NРК + навоз	6,70	7,80	7,50	9,20
	Клевер
Контроль	1,10	6,74	2,53	6,71
NРК	1,07	1,31	2,19	4,13
NРК + навоз	4,36	7,80	3,66	8,16
	Картофель
Контроль	3,86	6,60	6,13	6,80
NРК	8,60	9,80	8,80	9,64
NРК + навоз	16,10	24,50	17,60	24,70
НСР05	Известь 2,75	Удобрение 3,17	Севооборот 3,37	Культура 3,08

Внесение минеральных удобрений приводило к снижению активности кальция под озимой рожью и клевером и увеличению под картофелем. А их совместное применение с органическими удобрениями увеличивало активность кальция на всех вариантах. Это связано с тем, что в навозе содержится кальций, который переходит в почвенный раствор. Максимальная активность кальция наблюдается на вариантах NРК + навоз в севообороте на известковом фоне под всеми культурами.

Активность ионов кальция в среднем по вариантам опыта была выше под картофелем и наименьшей под клевером (табл. 5). По нашему мнению это связано с различным выносом кальция сельскохозяйственными культурами.

5. Влияние сельскохозяйственных культур, возделываемых бессменно и в севообороте, на активность кальция, мг/л (2004 г)

Культура	Бессменно	Севооборот
Озимая рожь	4,81	5,21
Клевер	3,73	4,56
Картофель	11,61	12,25

Приведенные результаты исследований позволяют утверждать, что все изучаемые факторы влияют на активность кальция в почве. По степени влияния на активность кальция в почве эти факторы можно распределить в ряду: органические удобрения > сельскохозяйственные культуры > минеральные удобрения > известкование.

3.4. Реакция почвенной среды под культурами, возделываемыми бессменно и в севообороте. Длительное возделывание сельскохозяйственных культур бессменно и в севообороте позволяет выявить их влияние и роль севооборота в регулировании реакции среды почвы.

6. Реакция почвенной среды (рНКСl) под культурами, возделываемыми бессменно и в севообороте (2001 г.)

Способ возделывания, культура	Без удобрений		NPK		NPK+навоз
	Без известкования	После известкования	Без известкования	После известкования	Без известкования	После известкования
Бессменно: Озимая рожь	5,0	6,2	4,9	6,0	-	-
Ячмень	5,1	6,4	4,4	6,2	-	-
Клевер	4,9	5,4	4,0	5,4	-	-
Картофель	5,0	6,2	4,9	6,2	-	-
В севообороте	4,1	5,2	4,2	5,5	4,3	5,6
Чистый пар	4,0	-	-	-	-	-

Сельскохозяйственные культуры, возделываемые бессменно, по сравнению с чистым паром не подкисляют почву, а севооборот не является фактором удерживающим подкисление почвы. Среди бессменно возделываемых культур, наиболее кислая реакция среды была под клевером. По сравнению с озимой рожью величина рН почвы под клевером была ниже на 0,15 единицы на вариантах без известкования и без удобрений и на 0,95 единицы без известкования с полным минеральным удобрением.

Средние дозы минеральных удобрений, как при бессменном возделывании озимой ржи и картофеля, так и в севообороте подкисляющего действия на почву не оказывали.

3.5. Содержание подвижных форм фосфора и обменного калия. Известкование почв оказывало положительное влияние на фосфатный режим дерново-подзолистой почвы как на вариантах без удобрений, так и при внесении минеральных удобрений (табл. 7). По сравнению с аналогичными вариантами без известкования содержание подвижных форм фосфора в почве возрастало без удобрений в 1,3 раза под озимой рожью и ячменем, в 1,8 раз под клевером и картофелем; на варианте NPK в 1,1 раз под озимой рожью, 1,2 - клевером, 1,6 – под ячменем и 1,7 раз под картофелем.

7. Содержание подвижных форм фосфора и обменного калия под культурами, при длительном применении удобрений и периодическом известковании (мг/кг почвы)

Культура	Без удобрений			NPK			NPK+навоз
	Без известкования		После известкования		Без известкования	После известкования	Без известкования	После известкования
Бессменно: Озимая рожь	79* 62	105 46			321 153	353 159	-	-
Ячмень	74 56	96 56			310 154	486 239	-	-
Клевер	38 31	69 29			259 55	319 64	-	-
Картофель	89 65	167 61			261 95	446 195	-	-
В севообороте	134 53	133 55			228 74	304 86	240 80	304 79
Пар бессменно	197 80	-			-	-	-	-

* числитель – подвижные формы фосфора, знаменатель – обменный калий

Очевидно, влияние известкования на доступность фосфора растениям является результатом химических и биологических процессов, происходящих в почве. Повышенная кислотность снижает подвижность и усвояемость фосфора растениями из-за осаждения Н2РО4 в результате реакции с поливалентными металлическими катионами.

Если известкование однозначно оказывало положительное действие на фосфатный режим дерново-подзолистой почвы, то такого однозначно положительного действия на калийный режим нет. На вариантах без удобрений известкование не оказывало действия на калийный режим. Однако при применении удобрений известкование оказало положительное действие на калийный режим почвы, как при бессменном возделывании сельскохозяйственных культур, так и в севообороте.

Таким образом, анализ данных длительного опыта достоверно показывает, что известкование оказывает положительное действие на фосфатный режим дерново-подзолистых суглинистых почв, как без удобрений, так и с применением удобрений и на калийный режим при применении удобрений. Сельскохозяйственные культуры также влияли на содержание подвижных форм фосфора и обменного калия в почве. Наименьшее их содержание среди сельскохозяйственных культур отмечено под клевером.

3.6. Содержание тяжелых металлов. Валовое содержание свинца, меди, цинка, кобальта, марганца и никеля в почве опыты выше под сельскохозяйственными культурами, возделываемыми бессменно, по сравнению с чистым паром (табл. 8).

8. Влияние длительного применения удобрений и известкования на содержание тяжелых металлов в почве (мг/кг почвы)

Элемент	Без удобрений		NPK		NPK+навоз		НСР05
	Без известкования	После известкования	Без известкования	После известкования	Без известкования	После известкования
Свинец	10,38* 2,54	12,22 1,89	13,19 2,63	14,87 1,63	12,16 1,92	13,71 2,16	1,25 0,28
Кадмий	0,22 0,16	0,28 0,20	0,29 0,19	0,32 0,18	0,30 0,19	0,31 0,18	0,04 0,03
Медь	5,68 0,49	5,96 0,44	6,44 0,47	7,03 0,49	6,27 0,48	6,86 0,39	0,29 0,07
Цинк	24,13 0,81	26,41 0,50	28,38 1,08	32,10 1,03	27,17 1,26	29,29 0,83	1,86 0,31
Кобальт	5,16 0,16	5,66 0,16	5,54 0,11	5,95 0,13	6,39 0,14	6,14 0,14	0,24 0,03
Марганец	291,8 31,9	309,1 19,7	308,1 38,2	467,5 25,1	333,3 32,0	368,7 20,9	14,4 4,8
Никель	9,19 0,21	9,62 0,29	9,90 0,23	9,99 0,20	10,21 0,24	10,17 0,29	0,57 0,04

* числитель – валовое содержание тяжелых металлов, знаменатель содержание подвижных форм тяжелых металлов.

Наряду с почвенно-экологическими условиями на накопление тяжелых металлов в почве оказывают биология и технология возделывания сельскохозяйственных культур. Как без удобрений, так и при внесении только минеральных удобрений наиболее высокое содержание в почве свинца, кадмия, меди, цинка, марганца и никеля наблюдается под озимой рожью, а кобальта под ячменем.

Длительное применение минеральных удобрений привело к накоплению в почве всех изучаемых тяжелых металлов: свинца, кадмия, меди, цинка, кобальта, марганца и никеля.

Периодическое известкование с 1949 года, привело к увеличению содержания тяжелых металлов в почве при возделывании культур с внесением только минеральных удобрений, и на вариантах NPK+навоз за исключением кобальта и никеля.

Наибольшей подвижностью в почве под сельскохозяйственными культурами отличались кадмий и свинец, коэффициент мобилизации кадмия варьировал в интервале от 27,27 до 72,73 %, а свинца от 8,07 до 24,47 %.

Отмечена тенденция снижения подвижности свинца, меди, цинка и марганца при периодическом известковании. Низкая подвижность свинца, кадмия, меди, кобальта и никеля и высокая цинка отмечена при внесении удобрений.

Таким образом, содержание подвижных форм тяжелых металлов в почве подвержено сильным колебаниям, что связано с почвенно-экологическими условиями, культурами и агротехнологиями.

Глава 4. Действие поддерживающего известкования на реакцию почвенной среды и урожайность полевых культур, возделываемых бессменно и в севообороте. Поддерживающее известкование в современном земледелии следует рассматривать как прием поддержания благоприятной реакции среды для культур, обеспечивающий благоприятное соотношение между элементами питания растений в почвенном растворе и почвенно-поглощающем комплексе.

4.1. Динамика кислотности почвы и урожайность полевых культур, возделываемых бессменно и в севообороте. Результаты 45-летних наблюдений за действием известкования и удобрений на динамику кислотности приведены на рисунке 5. Величина рН почвы без известкования и удобрений варьировала по годам в пределах 4,10 - 4,46, то есть по принятой группировке находилась в пределах сильнокислой. Применение полного минерального удобрения (вариант NPK) не приводило к подкислению почвы, а величина рН находилась в пределах 4,13 – 4,60. Длительное применение полного минерального удобрения и навоза давало снижение кислотности на 0,2 – 0,8 единицы.

Поддерживающее известкование обеспечивало в период наблюдения стабилизацию реакцию среды почвы на уровне близкой к нейтральной (рН 5,6 – 6,0) и нейтральной (рН более 6,0). Отрицательного действия минеральных удобрений на реакцию среды не наблюдалось.

Рис. 5. Динамика кислотности в дерново-подзолистой почве без известкования (А) и после известкования (Б)

Внесение навоза на фоне минеральных удобрений и известкования заметно снижало кислотность почвы и стабилизировало реакцию почвенного раствора.

Поддерживающее известкование оказало влияние на урожай сельскохозяйственных культур, возделываемых бессменно и в севообороте. Среднегодовая прибавка урожая ячменя по всем вариантам за счет известкования составила 5,5 ц/га при бессменном возделывании и 4,0 при возделывании в севообороте, клевера – 8,9 ц/га (табл. 9). Прибавка урожая озимой ржи и картофеля при известковании была не существенна.

Максимальная прибавка урожая всех культур была при совместном применении навоза, минеральных удобрений и известкования.

Таким образом, необходимость и место проведения поддерживающего известкования в севооборотах определяется отношением возделываемых сельскохозяйственных культур к кислотности почвы. Оно обязательно в севооборотах с культурами первой (клевер) и второй (ячмень) группы и требуется уточнения для других севооборотов Нечерноземной зоны с учетом их продуктивности и агроландшафтных особенностей поля.

9. Влияние известкования и удобрений на урожайность полевых культур (т/га) за период 2001 – 2006 гг.

Культура	Способ возделывания	Варианты удобрений						НСР05 удобр известь
		Без удобрений	NPK	Навоз	NPK+ навоз	Средняя
Озимая рожь	бессменно	1,00* 1,05	2,42 2,57	1,37 1,52	2,64 2,77	1,86 1,97		0,39 0,37
	в севообороте	2,09 3,12	3,15 2,79	-	3,38 3,17	2,87 3,02		0,46 0,58
Ячмень	бессменно	0,41 1,14	1,79 2,43	1,47 1,80	2,16 2,68	1,46 2,01	0,49 0,23
	в севообороте	0,27 0,69	1,86 2,33	-	1,82 2,13	1,32 1,72	0,31 0,33
Картофель	бессменно	9,77 10,35	14,63 16,30	14,15 15,32	15,55 19,10	13,52 15,26	1,59 1,76
	в севообороте	14,60 13,06	21,16 25,70	-	31,40 28,40	22,39 22,38	1,41 1,32
Клевер	бессменно	3,64** 4,45	5,49 4,17	4,39 6,35	4,93 5,11	4,61 5,02	0,58 0,41
	в севообороте	3,03 3,43	5,43 6,25	-	3,84 5,31	4,10 4,99	0,63 0,36
Лен	бессменно	-	-	-	-	-	-
	в севообороте	4,17 5,57	4,31 4,93	-	5,03 6,20	4,50 5,56	1,11 0,93

* числитель – без известкования; знаменатель – после известкования;

** урожайность клевера за 3 года

4.2. Зависимость урожайности сельскохозяйственных культур от кислотности почвы и содержания мелкозема. Структурные взаимосвязи между свойствами почвы в значительной степени определяют их плодородие и адекватность реакций на внешние воздействия. В связи с тем, что колебания урожайности по годам на 50-70% детерменированы погодными условиями и лишь на 16% различиями плодородия почв оперативную оценку мы проводили по годам. Связь урожайности картофеля (У) в интервале 63-403 ц/га с величиной рНвод. (Х1) и содержанием мелкозема (Х2) для неизвесткуемой почвы в интервале рН от 4,83 до 6,30 и содержания мелкозема 87,7 – 96,2% описывается уравнением У = 3346,8 – 99,8 Х1 – 27,6Х2 (r = 0,95) и для известкуемой почвы У = 240,0 – 100,4Х1 + 7,6Х2 (r = 0,95) в интервале рН 6,50 – 7,67 и содержания мелкозема – 84,6 – 95,7%.

Глава 5. Оптимизация кальциевого режима дерново-подзолистых почв. Оптимизация кальциевого режима является одной из главных задач современного земледелия. Емкость и интенсивность круговорота кальция в агрценозах зависит от свойств почв, типа и вида севооборота и урожайности сельскохозяйственных культур.

5.1. Биологический круговорот кальция в полевых севооборотах.

Интенсивность биологического круговорота кальция выше в севооборотах с насыщением их многолетними травами (рис. 6).

Рис. 6. Биологический круговорот кальция за ротацию севооборотов

За ротацию зернопаропропашного севооборота в биологический круговорот вовлекалось 294,2 кг/га кальция. С урожаем отчуждалось 176,6 кг/га, а возвращалось в почву 40% кальция. Введение в севооборот вместо ячменя и вико-овсяного пара многолетних трав привело к резкому увеличению биологического круговорота кальция. За ротацию зернотравянопропашного севооборота в биологический круговорот вовлекалось 570,6 кг/га кальция. Из 873,4 кг/га оснований, вовлеченных в биологический круговорот 68,5% отчуждались с урожаем полевых культур.

Исключение из севооборота корнеплодов привело к уменьшению биологического круговорота кальция в зернопаротравяном севообороте, по сравнению с зернотравянопропашным.

Насыщение севооборотов многолетними травами приводило не только к увеличению выноса кальция из почвы урожаем полевых культур, но и способствовало биологической аккумуляции кальция в верхнем слое почвы.

При 50% насыщении севооборота многолетними травами в биологической форме закреплялось в почве 270,0 кг/га кальция, в то время как в зернопаропропашном севообороте 117,6 кг/га Са.

5.2. Прогнозирование подкисления и баланс кальция в дерново-подзолистых почвах. Точный прогноз подкисления почвы можно рассчитать только при сочетании методов анализа динамики кислотности почв и баланса кальция. Используя их, а так же данные экологического мониторинга в соответствии с методическими указаниями, разработанными в лаборатории известкования ВНИИА имени Д.Н. Прянишникова, был рассчитан баланс кальция для Владимирской и Смоленской областей, который будет отрицательным, а ежегодный сдвиг рН почвы составит -0,01 единицы и -0,02 единицы соответственно.

Для поддержания положительного баланса кальция и поддержания реакции среды на уровне благоприятной для роста и развития сельскохозяйственных растений дерново-подзолистые почвы Нечерноземной зоны нуждаются в известковании.

5.3. Оптимизация кальциевого режима дерново-подзолистых почв в земледелии Нечерноземной зоны. Оптимизация кальциевого режима почв должна быть направлена на регулирование свойств и почвенных процессов для достижения максимальной биопродуктивности угодий, приемлемой с экологической и выгодной с экономической точки зрения. При этом, состояние кальция в почве характеризуется не только содержанием его валовых подвижных и водорастворимых форм, но также такими показателями, как способность почв к поддержанию концентрации ионов кальция в почвенном растворе на постоянном уровне при отчуждении кальция с урожаем, буферность почв по отношению к кальцию, соотношение кальция и магния.

Чем больше факторы почв и внешней среды снижают доступность кальция для растений и его подвижность в почве, тем более высокие должны быть уровни его оптимального содержания.

Для достижения оптимального кальциевого состояния почв целесообразно использовать приемы: оптимизацию кальций сберегающих севооборотов; оптимизацию систем удобрений; внесение навоза и других органических удобрений, оптимизацию системы обработки почвы; внесение СаСО3 и отходов сельскохозяйственного производства и промышленности, содержащих кальций.

Выводы

1. Сельскохозяйственные культуры, возделываемые длительное время бессменно, в сравнении с чистым паром, оказывают положительное действие на почвенно-поглощающий комплекс, физико-химические свойства и кальциевый режим дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы. Длительное применение минеральных удобрений при бессменном возделывании озимой ржи и клевера приводит к снижению в составе ППК обменных оснований и увеличению протона водорода.

2. Клевер, в сравнении с озимой рожью, ячменем и картофелем оказывает подкисляющее действие на почву, как в вариантах без удобрений, так и при внесении полного минерального удобрений (N100P150K120). Величина рН под культурами, возделываемыми в севообороте, была на уровне или меньше, чем под бессменным клевером.

3. Известкование дерново-подзолистых легкосуглинистых почв, один раз в ротацию шестипольного севооборота в дозе 1,5 гидролитической кислотности, способствует увеличению содержания обменных кальция и магния в почве в 1,5 – 3 раза, обеспечивает благоприятную реакцию почвенной среды для полевых культур в течение ротации севооборота (рНсол. 5,5 – 6,2) и высокую степень насыщенности основаниями (80,4 – 86,2 %) при соотношении кальция и магния около 5:2.

4. Влияние минеральных удобрений на ППК и физико-химические свойства во многом зависит от почвенно-экологических условий. При длительном применении минеральных удобрений (N100P150K120) в севообороте наблюдается тенденция снижения степени насыщенности почвы основаниями и не наблюдается её подкисление. Совместное внесение навоза с минеральными удобрениями улучшает состав ППК и физико-химические свойства почвы.

5. По снижению положительного действия на ППК и катионооменные свойства почвы изучаемые факторы можно расположить в ряду: навоз > полевые культуры > минеральные удобрения.

6. Периодическое известкование оказывало положительное действие на мобилизацию фосфора почвы и содержание подвижных форм фосфора и обменного калия. Содержание подвижных форм фосфора и калия в почве при известковании возрастало в 1,3-1,8 раз как на вариантах без удобрений, так и при внесении N100P150K120.

7. Наряду с почвенно-экологическими условиями на накопление и распределение в почве тяжелых металлов влияют культуры и другие антропогенные факторы. Из тяжелых металлов наиболее подвижны в дерново-подзолистой почве были кадмий и свинец. Коэффициент мобилизации кадмия наблюдался в интервале от 27,27 до 72,73 %, а свинца от 8,07 до 24,47 %.

8. При периодическом известковании отмечается тенденция снижения подвижности свинца, меди, цинка и марганца. Низкая подвижность свинца, кадмия, меди, кобальта и никеля и высокая цинка отмечалась при внесении удобрений. Длительное (90 лет) применение даже средних доз минеральных удобрений приводит к накоплению в почве валовых форм свинца, кадмия, меди, цинка, кобальта, марганца и никеля.

9. Насыщение севооборотов многолетними травами приводит к увеличению выноса кальция из почвы и способствует биологической аккумуляции его в верхнем слое почвы. При 50% насыщении севооборота многолетними травами и урожайности зерновых 40-50 ц/га и сена 60-80 ц/га в биологической форме закреплялось в почве 270 кг/га кальция. В зернопаропропашном севообороте его биологическая аккумуляция была в 1,4 раз меньше.

10. Только при 50% насыщении севооборота многолетними травами наблюдалась тенденция подкисления почвы за 8 летнюю ротацию севооборота по сравнению с другими видами севооборотов.

11. Реакция полевых культур на поддерживающее известкование не однозначна. Культуры третьей группы по отношению к кислотности и известкованию (озимая рожь, овес, картофель) хорошо отзываются на первое известкование и слабо на поддерживающее. Культуры первой (клевер) и второй (ячмень) группы хорошо отзывались как на основное, так и на поддерживающее известкование почв.

Рекомендации производству

В Центральных районах Нечерноземной зоны необходимо проводить периодическое известкование дерново-подзолистых легкосуглинистых почв расположенных на землях с крутизной склона от 00 до 30 из расчета 2-3 т/га 1 раз в 6 лет для поддержания оптимальной реакции почвенной среды для культур возделываемых в севообороте. В севообороте с чередованием культур: занятый пар – озимая рожь – картофель – ячмень с подсевом клевера – клевер 1 года пользования – лен известкование необходимо проводить под покровную культуру – ячмень.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Аканова Н.И., Рыбакова О.И. Прогнозирование подкисления почв и баланса кальция в агроландшафтах //Доклады ТСХА.- М., 2004.- Вып. 276. - С. 326-329.

2. Рыбакова О.И., Клочков Ю.Е. Влияние погодных условий и минеральных удобрений на колебания продуктивности культур //Применение средств химизации – основа повышения продуктивности сельскохозяйственных культур и сохранения плодородия почв. Материалы 38 международной научной конференции (ВНИИА). – М.: ВНИИА, 2004. С. 174-177.

3. Овчаренко М.М., Савич В.И., Рыбакова О.И., Куликов Ю.Л. Эколого-агрохимическое обоснование приемов стабилизации кальциевого режима дерново-подзолистых почв //Агрохимический вестник.- М., 2004.- 6 С. 20-23.

4. Платонов И.Г., Сафонов А.Ф., Рыбакова О.И. Действие поддерживающего известкования на урожайность полевых культур, реакцию среды и катионообменные свойства дерново-подзолистой почвы //Доклады ТСХА.- М., 2005.- Вып. 277. – С. 15 – 20.

5. Рыбакова О.И., Сафонов А.Ф. Действие поддерживающего известкования на урожайность полевых культур и реакцию среды дерново-подзолистой почвы //Агроэкологическая эффективность применения средств химизации в современных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур. Материалы 39 международной научной конференции (ВНИИА). – М.: ВНИИА, 2005. С. 130-134.

6. Аканова Н.И., Рыбакова О.И. Оценка баланса кальция в агроландшафтах Нечерноземной зоны //Сб ст. «Экологические проблемы отраслей народного хозяйства» по материалам Международной научно-практической конференции. Пенза: Изд-во Пенз. Гос. технол. Акад., 2006 г. – С. 37-40.

7. Платонов И.Г., Сафонов А.Ф., Рыбакова О.И. Формирование продуктивности сельскохозяйственных культур в зависимости от агроландшафтных особенностей поля // Сб ст. «Экологические проблемы отраслей народного хозяйства» по материалам Международной научно-практической конференции. Пенза: Изд-во Пенз. Гос. технол. Акад., 2006 г. – С. 66-69.