Экологические аспекты известкования почв

Экологические аспекты известкования дерново-подзолистых почв северо-запада россии

На правах рукописи

Яковлева Лидия Владимировна

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИЗВЕСТКОВАНИЯ

ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВ

СЕВЕРО-ЗАПАДА РОССИИ

Специальность 06.01.04 – агрохимия

диссертации на соискание ученой степени

доктора сельскохозяйственных наук

Санкт-Петербург – Пушкин — 2009

Работа выполнена в лаборатории агрохимии Государственного научного учреждения Ленинградский научно-исследовательский институт сельского

хозяйства «Белогорка» Россельхозакадемии (ГНУ ЛНИИСХ «Белогорка»

Ведущее учреждение: Российский государственный аграрный университет — МСХА им.К.А.Тимирязева (РГАУ — МСХА им.К.А.Тимирязева)

Защита диссертации состоится «…. »……………….….2009г.

в ….. час…..мин. на заседании диссертационного совета ДМ 220.060.03

в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете по адресу:

196601, Санкт-Петербург – Пушкин, Петербургское шоссе, 2, корп. 1-а, ауд.239; e-mail: spbgau@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Санкт-Петербургского государственного аграрного университета

Автореферат разослан «……..»……………………….2009г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, Н.Ф.Лунина

«Значение почв в истории планеты

гораздо больше, чем это обычно кажется».

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Деградация плодородия почв Северо-Запада России – результат резкого снижения применения химических мелиорантов и минеральных удобрений и усиления вследствие этого генетических и климатических особенностей формирования почв региона (Кулешов Л.Н., 1997).

Главная задача сельскохозяйственного производства — получение достаточно высоких урожаев хорошего качества при сохранении и приумножении плодородия почвы. На кислых дерново-подзолистых почвах это невозможно без их известкования и внесения органических и минеральных удобрений. Известь и минеральные удобрения являются чрезвычайно сильными средствами воздействия на все фазы почвы. В результате известкования и применения минеральных удобрений изменяются кислотно-основное равновесие, физические, химические, биологические свойства почвы. Изменение режима питания растений приводит к изменению качества продукции, степени поражаемости растений вредителями и болезнями; изменяются источники почвенной кислотности, источники миграции различных веществ в почвах, в том числе оснований. Недостаток кальция снижает устойчивость растений к неблагоприятным погодным условиям и вредным химическим веществам. Роль достаточной обеспеченности кальцием возрастает при загрязнении почв тяжелыми металлами.

При резком сокращении масштабов известкования (в 2003 – 2005 годах известь ежегодно вносили на площади 350 – 400 тыс. га, а необходимо было известковать 7 – 8 млн. га) обеднение почв основаниями и рост кислотности почв достигли катастрофического уровня. Площадь кислых почв по расчетам Шильникова И.А. и Акановой Н.И. (2007) составляет 54 – 56 млн. га. В настоящее время установлено наличие кислых почв даже в Краснодарском крае (Овчаренко М.М., 2006) Результатом такого необдуманного отношения к одному из главных богатств страны является снижение плодородия почвы. При сохранении существующих объемов известкования неизбежны деградация почв из-за потерь кальция и магния. На кислых почвах на 20-40% снижается эффективность минеральных удобрений, а при высоком содержании подвижных форм алюминия, применение азотных и калийных удобрений может даже понизить урожай. Поэтому исследования, направленные на обоснование необходимости известкования кислых почв, на поиск путей снижения непроизводительных потерь оснований из корнеобитаемых горизонтов почв, безусловно, являются актуальными.

Цель и задачи исследований.

Основной целью данной работы было на основании исследований в многолетних полевых, микрополевых, лизиметрических опытах выяснить влияние известкования и длительного применения минеральных удобрений на свойства и режимы почвы и развитие растений и определить пути сохранения плодородия почвы. В связи с этим мы ставили перед собой следующие конкретные задачи:

1. В длительных экспериментах изучить влияние известкования на свойства дерново-подзолистых почв.
2. Определить эффективность известкования в зависимости от биологических особенностей и условий выращивания сельскохозяйственных культур.
3. Изучить миграционную способность и размеры вымывания элементов питания в дерново-подзолистых почвах под влиянием извести и минеральных удобрений.
4. Разработать научную концепцию создания экологически безопасных минеральных удобрений.
5. Провести экспериментальную проверку разработанной концепции.

Работа выполнена в рамках государственного задания 01.02. «Разработать рациональные приемы первичного и периодического известкования кислых почв, обеспечивающих снижение потерь кальция и магния, поддержания реакции почвы на оптимальном уровне для сельскохозяйственных культур».

На защиту выносятся следующие положения:

1. При длительном применении минеральных удобрений, извести принадлежит важная роль в сохранении и приумножении плодородия почв, не насыщенных основаниями.
2. При известковании почвы и длительном применении минеральных удобрений изменяется структура ППК и состав лизиметрических вод, изменяются источники миграции питательных веществ и ее масштабы. Длительность действия извести связана с условиями, регламентирующими миграционную способность оснований в почвах.
3. Известкование кислых дерново-подзолистых почв повышает эффективность использования минеральных удобрений сельскохозяйственными культурами, повышает продуктивность растений и обеспечивает их высокое качество. Велика роль извести в питании растений кальцием.
4. Химический состав минеральных удобрений играет существенную роль в миграции кальция извести по профилю почвы и оказывает влияние на продолжительность положительного действия известкования.
5. В настоящее время существует реальная возможность создания удобрений нового поколения, способных обеспечить растениям оптимальный режим питания, не нарушая экологического равновесия в системе почва – растение – природные воды.

Научная новизна результатов исследований

• Выявлены новые аспекты влияния минеральных удобрений на формирование структуры почвенной кислотности и продолжительности действия известкования.
• Доказана тесная корреляционная зависимость содержания различных фракций гумусовых веществ от отдельных свойств почв.
• Установлены зависимости развития различных групп микроорганизмов от содержания в почве фитотоксичных элементов.
• Показаны изменения режимов питания растений азотом, фосфором и калием в условиях длительного применения минеральных удобрений и известкования.
• В опытах с 45Са доказана существенная роль извести в питании растений кальцием.
• Изучена миграция веществ в дерново-подзолистых почвах и выявлены источники миграции при различных уровнях и формах применения минеральных удобрений и извести.
• Впервые разработана научная концепция создания экологически безопасных удобрений.
• Проведена экспериментальная проверка действия удобрений нового поколения, подтвердившая реальную возможность их создания и эффективность действия.

Теоретическая значимость работы.

Установлены новые закономерности влияния извести и минеральных удобрений на структуру почвенной кислотности, содержание фитотоксичных элементов, гумусное состояние почв, биологическую активность, режимы элементов питания и кальция, изменения миграционной способности элементов питания в почвах.

В опытах с известью, меченной изотопом 45Са, выяснена роль извести в питании растений кальцием.

Разработана концепция создания экологически безопасных удобрений.

Практическая значимость работы.

В работе показана существенная роль извести в сохранении плодородия дерново-подзолистых почв Северо-Запада России за счет изменения при известковании режимов и процессов, протекающих в почве, изменения условий развития растений. Продолжительность действия извести связана как с дозой её внесения, химическим и гранулометрическим составом, так и с выносом оснований (прежде всего кальция и магния) урожаями сельскохозяйственных культур и потерями за счет вымывания.

Миграция оснований за пределы пахотного горизонта зависит от уровня применения минеральных удобрений и их химического состава, количества осадков, гранулометрического состава почв и времени, в течение которого почва занята растительностью. Особенно сильно возрастают потери оснований из почв легкого гранулометрического состава, обладающих малой емкостью поглощения.

Разработанная концепция создания удобрений нового поколения позволяет снизить потери оснований при различных условиях в 1,5…5раз за счет изменения химического состава удобрений и изменения ёмкости поглощения почв. Эта концепция позволяет отнести ряд минеральных удобрений, выпускаемых в настоящее время промышленностью, к разряду отвечающих требованиям, предъявляемым (по разработанной концепции) к экологически безопасным удобрениям. Применение их позволяет получать высокие урожаи хорошего качества, не нанося при этом значительного вреда окружающей среде.

Реализация результатов исследований

• На основании результатов проведенных исследований разработана научная концепция «Экологически безопасные удобрения» (Белогорка, 2005);

Основные положения и результаты исследований автора вошли составной частью в следующие разработки:

• «Нормативы расхода известковых материалов для сдвига реакции почвенной среды до оптимального уровня рН на различных типах почв» (М., 1980);
• «Нормы расхода известковых материалов для сдвига реакции почвенной среды до оптимального уровня рН на различных типах почв» (М., 1986);
• «Научные основы применения органических удобрений в Ленинградской области» (Л., 1987);
• «Научные основы и технология использования удобрений и извести» (Изд. СПбГУ, СПб, 1997);
• «Эколого-экономические основы и рекомендации по известкованию, адаптированные к конкретным почвенным условиям» (М.-СПб, 2000);
• «Методология и агротехнические приемы увеличения продолжительности действия извести» (Белогорка, 2005).
• «Рекомендации по использованию органических удобрений» (Белогорка, 2007)

Апробация работы.

Результаты исследований неоднократно докладывались на научных и научно-практических всероссийских и международных конференциях в Санкт-Петербурге, Москве, Иваново, Обнинске, Брянске, Белогорке и других городах, в том числе: на П съезде Всероссийского общества почвоведов (СПб, 1996), на научной конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете (1997г.); на 5-ой научно-практической конференции «Агроэкологическое обоснование теории и технологий использования разных видов удобрений и химических мелиорантов в земледелии» (М., 1997г.); на Ш съезде Докучаевского общества почвоведов (г. Суздаль, М., 2000г.); на научно-практической конференции «Круговорот биогенных веществ и плодородие почв в адаптивно-ландшафтном земледелии России» (М., 2000г.); на научной конференции «Современные проблемы сельскохозяйственного землепользования» (Белогорка, 2002г.); на симпозиуме по проблеме лизиметрических исследований в сельском хозяйстве (М., 2004г.); на международном форуме «Земля и урожай» (СПб, 2007г.); на Межрегиональной научно-практической конференции «Почвенные ресурсы Северо-Запада России: их состояние, охрана и рациональное использование» (СПб, 2008г.); на Всероссийской конференции с международным участием «Продукционный процесс растений: теория и практика эффективного и ресурсосберегающего управления» (СПб, 2009 г.)

Публикации.

Основные результаты исследований по теме диссертационной работы опубликованы в 51 научной работе.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, предложений производству, списка использованной литературы. Она изложена на 374 страницах, содержит 80 таблиц, 39 рисунков, а также 42 таблицы и 3 рисунка в приложении. Список использованной литературы включает 401 наименование.

1.ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Поставленные задачи мы пытались решить на базе исследований, проведенных в течение 1976-2006г.г. в отделе агрохимии Северо-Западного научно-исследовательского института сельского хозяйства (в настоящее время Ленинградский НИИ сельского хозяйства Россельхозакадемии). Работа написана по результатам, полученным в многолетних полевых, микрополевых, лизиметрических опытах (более 100 опыто-лет), а также в вегетационных и лабораторных опытах и с помощью химических, биологических и микробиологических исследований.

ПОЛЕВЫЕ опыты были заложены на дерново-подзолистых супесчаных слабоокультуренных почвах (опыт 1 – в 1977году, а опыт 2 – в 1981году).

МИКРОПОЛЕВЫЕ многолетние опыты проводили на дерново-подзолистых почвах различного гранулометрического состава (песок, супесь, легкая глина — по классификации Н.А.Качинского, 1958г.).

ЛИЗИМЕТРИЧЕСКИЕ опыты закладывали на дерново-подзолистых слабоокультуренных почвах различного гранулометрического состава в насыпных лизиметрах нашей конструкции. Схемы опытов несколько различаются, но объединены общей идеей, целью работы.

Химические анализы почв и растений проводили по общепринятым методикам и утвержденным ГОСТам. При анализе лизиметрических вод использовали «Методические указания по проведению исследований с изотопом азота 15N и определению элементов питания в лизиметрических водах» (М.,1978) и «Методические указания по определению азота нитратов и нитритов в почвах, кормах и растениях» (М. 1981). Особенности проведения некоторых оригинальных опытов, химических, биологических и микробиологических исследований описаны в тексте диссертационной работы.

Все опыты были расположены вблизи пос. Белогорка. Поэтому мы использовали результаты наблюдений Белогорской агрометеостанции, любезно предоставленные нам ее сотрудниками, а также материалы, опубликованные в агрометеорологических бюллетенях по АМС „Белогорка” и результаты наших наблюдений за химическим составом атмосферных осадков. Лизиметрические воды отбирали по мере поступления их в приемники с помощью насоса Камовского и колбы Бунзена.

По нашим наблюдениям количество веществ, поступающих за год в почву с атмосферными осадками в окрестностях п. Белогорка составляет в среднем: ионов калия – 7.4 кг/га; натрия – 2.1; кальция – 12.5; магния – 3; хлора – 2.9; свинца – 0.05; цинка – 0.4; никеля – 0.4; кадмия – 0.01; кобальта – 0.09; меди – 0.1; железа – 0.9; азота нитратов – 9.3; азота аммония – 8.4 кг/га.

Для того, чтобы проследить судьбу кальция извести в почве, его поглощение растениями, потери от вымывания, в микрополевых опытах вносили известь, меченную изотопом 45Са с периодом полураспада 154 дня.

Лабораторные опыты проводили в лизиметрических колонках, изготовленных из полимерных труб с припаянной на одном конце воронкой, в которую помещали дренаж. Колонки заполняли дерново-подзолистой супесчаной слабоокультуренной почвой, взятой с защитной полосы многолетнего полевого опыта № 2. Полученные фильтраты анализировали по тем же методикам, что и лизиметрические воды.

Все почвы, отобранные для опытов, имели кислую реакцию, были бедны фосфором и, за исключением легкой глины из Новгородской области, калием.

2. ИЗВЕСТКОВАНИЕ И ПЛОДОРОДИЕ ПОЧВ, НЕНАСЫЩЕННЫХ

ОСНОВАНИЯМИ (НА ПРИМЕРЕ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ)

2.1. В настоящее время считают, что вредное действие кислотности почвы на растения связано с присутствием в ней катионов водорода, алюминия, марганца и железа. Однако в почве совершаются гораздо более сложные процессы и влияние кислотности почвы на среду обитания растений; их продуктивность и качество проявляется в разной степени и зависит от различного сочетания множества условий и свойств почвы: содержания обменных оснований, наличия подвижного алюминия, уровня реакции почвы, содержания органического вещества и подвижного фосфора, подвижных форм марганца и железа, гранулометрического состава почвы. Эффективность известкования в зависимости от сочетания этих факторов может быть различной

Многолетние наблюдения в наших опытах показали, что наибольшие изменения рНКС1 в почве происходят в течение первого года после внесения извести и сохраняются в зависимости от дозы извести и гранулометрического состава почвы от З до 6…8 лет. В этот период происходит наряду с вымыванием оснований взаимодействие почвы с не прореагировавшей известью. Через три года после внесения содержание свободной извести составляло от 10 до 64% от внесенного количества в зависимости от нормы внесения. Применение минеральных удобрений на кислых почвах приводит через 4…5лет к достоверному снижению реакции почвы ниже исходного уровня (табл. 1) в результате вымывания оснований с атмосферными осадками вместе с подвижными анионами удобрений (хлоридами, сульфатами), а также в составе органо-минеральных комплексов.

Таблица 1. Влияние минеральных удобрений на реакцию почвы

Источник