Оценка экологического состояния серой лесной почвы в агроэкосистемах в зависимости от приемов основной обработки почвы
На правах рукописи
Зинченко Владимир Сергеевич ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЫ В АГРОЭКОСИСТЕМАХ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПРИЕМОВ ОСНОВНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ Специальность 03.02.08 – экология (биология) 03.02.13 – почвоведение
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Владимир – 2011
Работа выполнена на кафедре почвоведения в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
Научный консультант: доктор биологических наук, профессор Мазиров Михаил Арнольдович
Официальные оппоненты: доктор биологических наук Гончаров Владимир Михайлович доктор биологических наук, профессор Надежкина Елена Валентиновна Ведущее предприятие: Государственное научное учреждение Всероссийский научно – исследовательский институт органических удобрений Россельхозакадемии (ГНУ ВНИИОУ Россельхозакадемии )
Защита диссертации состоится 9 декабря 2011 года в 14–00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.025.07 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» по адресу: 600000, г.
Владимир, ул. Горького, 87, ВлГУ, факультет химии и экологии, диссертационный совет ДМ 212.025.07.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВлГУ.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, можно присылать по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ВлГУ, кафедра экологии.
Автореферат разослан _ 2011 года
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук Мищенко Н.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Экологические функции почвы очень динамичны и обладают высокой степенью изменчивости свойств и состава, что делает эту важнейшую для биосферных процессов субстанцию чрезвычайно чувствительной к влиянию хозяйственной деятельности человека.
Негативные изменения свойств почвы, являющиеся последствиями сельскохозяйственной деятельности, послужили основанием перехода к модели устойчивого развития и возникновению новой парадигмы природопользования – экологизации земледелия.
Создание современной методологии оптимизации агросистем на ландшафтной и экологической основе (Кирюшин, 2000) требует глубокого агроэкологического анализа состояния параметров плодородия и продуктивности почв конкретной региональной территории, в каждой зоне, районе, хозяйстве.
Почвенный покров Опольной зоны Владимирской области представлен в основном серыми лесными почвами (220 тыс. га), которые отличаются высоким плодородием и обеспечивают получение 70% всей сельскохозяйственной продукции в области. Вовлечение серых лесных почв в сельскохозяйственное производство, сопровождающееся сменой растительности, мелиорацией, внесением минеральных удобрений, многократными механическими обработками, часто приводит к негативным, иногда необратимым явлениям и в целом к изменению естественных процессов почвообразования.
В процессе хозяйственного воздействия человека агрофизические свойства почвы существенно меняются. Для снижения этих неблагоприятных тенденций необходимы новые подходы к природоохранной обработке почвы и природоохранной агротехнике (Милащенко, 2000;
Каштанов, 2008;
Мель цаев, 2009;
Мазиров, 2010). Это будет способствовать значительному сокра щению процессов эрозии, расхода топлива на производство урожая и загряз нению окружающей среды.
Изучение состояния серых лесных почв Владимирского ополья, как природных компонентов, их изменения под влиянием различных приемов обработки, требует комплексного исследования их состава и свойств, степень изученности которых неодинакова. Это обстоятельство и послужило основа нием для проведения данного исследования, результаты которых представ лены в нашей работе.
Цель и задачи исследований. Целью данной работы является изуче ние влияния агрогенной нагрузки (приемов основной обработки) в агроэко системах на экологическое состояние серой лесной почвы.
Задачи исследований:
1. Дать агроэкологическую оценку влияния приемов основной обрабо тки серых лесных почв на регулирование ее агрофизических свойств.
2. Выявить зависимость миграции нитратного азота от приемов основ ной обработки почвы.
3. Исследовать экологическое состояние серых лесных почв по биоло гическим показателям в зависимости от степени антропогенной нагрузки.
4. Оценить влияние приемов основной обработки почвы на накопление тяжелых металлов (свинца и кадмия) в пахотном слое серой лесной почвы.
5. Выявить эффективность и продуктивность агроэкосистем в зависи мости от приемов основной обработки серых лесных почв.
Научная новизна. В условиях Владимирского ополья впервые прове дены исследования по изучению влияния агрогенной нагрузки (приемов основной обработки) на экологическое состояние агроэкосистем серой лесной почвы. Дана агроэкологическая оценка антропогенного влияния приемов основной обработки серых лесных почв на ее структуру и грану лометрический состав, плотность сложения и водный режим.
Показано, что применение глубоких обработок на 20-22 и 28-30 см спо собствует вымыванию нитратного азота из корнеобитаемого слоя зерновых культур. Выявлены количественные параметры изменения биологических свойств серых лесных почв под влиянием приемов основной обработки.
Установлено, что агроэкосистемы с ежегодной безотвальной обработкой на 6-8 и 20-22 см обуславливают меньшую эмиссию N2О из серой лесной почвы, чем ежегодная отвальная вспашка на 20-22 см.
Определено, что длительное применение ежегодной отвальной вспа шки на 20-22 см способствует увеличению содержания в почве валовых форм свинца и кадмия по сравнению с его фоновым содержанием.
Установлено, что применение в агроэкосистемах приемов безотвальной обработки на 6-8 и 20-22 см, вместо отвальной вспашки на 20-22 см, обеспе чивает снижение расхода дизельного топлива на производство 1 центнера зерна на 32 и 14 %, потребность рабочего времени на 25, 12% соот ветственно.
Практическая значимость работы. Полученные результаты позволя ют дать практические рекомендации по использованию приемов основной обработки серых лесных почв под озимую рожь с учетом оптимизации эколого- биологического состояния агроэкосистем.
Материалы исследований вошли в региональные рекомендации по ос воению адаптивно - ландшафтных систем земледелия во Владимирской обла сти и учебное пособие. Результаты исследований по экологической оценке состояния серой лесной почвы агроэкосистем используются в учебном процессе факультета химии и экологии ГОУ ВПО «Владимирский госу дарственный университет».
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Междуна родной научно-практической конференции «Нанобиотехнологии в сельском хозяйстве», г.Москва, 2008;
Международной научно-практической конфе ренции «Ресурсосбережение и диверсификация как новый этап развития идей А.И.Бараева о почвозащитном земледелии», Республика Казахстан, Шор танды, 2008;
Conference information themes & contents author index. Ege University Faculty of Agriculture Department of Agricultural Machinery Bornova-izmir, Turkey, 2009;
Международной научно-практической конфе ренции «Эрозия почв: проблемы и пути повышения эффективности растение водства», г. Ульяновск, 2009;
Всероссийской научно-практической конферен ции «Ресурсосберегающие технологии обработки почвы в адаптивном земле делии», г. Москва, 2010.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе в изданиях ВАК РФ – 3, одно методическое руководство.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 161 странице машинописного текста, состоит из введения, 6 глав, выводов и практических рекомендаций. Экспериментальный материал представлен в 10 таблицах, рисунках и 12 приложениях. Список используемой литературы состоит из 244 наименований, в том числе 21 зарубежных авторов.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ГЛАВА 1. АНТРОПОГЕННОЕ ВЛИЯНИЕ НА ПОЧВУ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ АГРОЭКОСИСТЕМ В главе 1 представлены основные понятия о влиянии антропогенных факторов (приемы основной обработки) на формирование агроэкосистем.
Описано управление экологическим состоянием агроэкосистем по средст вам приемов основной обработки. Отмечено влияние приемов обработки на биологические, агрохимические и водно-физические свойства почв в агроэкосистемах.
ГЛАВА 2. УСЛОВИЯ, ОБЪЕКТ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ Исследования проводились в Опольной зоне Владимирской области.
Погодные условия в годы исследований (2008-2010 гг.) отражали климатиче ские особенности региона. Формирование агроценозонов в севообороте (овес с подсевом клевера-клевер 1-го года-клевер 2-го года-озимая рожь яровая пшеница-ячмень) проводили с использованием приемов основной обработки почвы: 1-ежегодная мелкая безотвальная обработка на 6-8 см;
2 ежегодная безотвальная обработка на 20-22 см;
3-ежегодная отвальная вспа шка на 20-22 см;
4-ярусная вспашка на 28-30 см через четыре года, в оста льные годы отвальная вспашка на 20-22 см;
5-ярусная вспашка на 28-30 см через четыре года, в остальные годы мелкая безотвальная обработка на 6- см. В период исследования в опыте возделывался клевер красный (Trifolium pretense L.) сорта Марс и озимая рожъ (Secale cereale L.) сорта Память Кондратенко. Повторность опыта 4-х кратная, площадь делянки 360 м2. Опыт заложен в 1986 году в ГНУ Владимирский НИИСХ. Для контроля был выб ран участок залежи (более 30 лет не обрабатывался). Почва – серая лесная среднесуглинистая, пахотный слой характеризуется следующими агрохи мическими показателями: содержание гумуса 2,5 %, подвижных форм Р 2О5 и К2О – 15 и 13,8 мг/100г почвы соответственно, рНсол = 5,8.
Исследования проводились с использованием следующих методик: пло тность сложения почвы – методом цилиндров по С.И. Долгову (1986);
влажность почвы до глубины 1 метр по ГОСТу 28268 – 89;
структура почвы – по И.И. Савинову (1986), водопрочность почвенных агрегатов – по И.М.
Бакшееву (1969);
микроагрегатный состав почвы – по Н.А. Качинскому (1983);
нитратный азот в слое почвы 0-200 см по ГОСТ 26483 – 85 – ГОСТ 26490 – 85;
разложение клетчатки аппликационным методом по М.С. Вост ровой и А.Н. Петровой (1961);
активность каталазы газометрическим мето дом (Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1990);
кумулятивную эмиссию N2O методом закрытых камер (Бучкина, 2008);
анализ проб воздуха при помощи газового хроматографа с детектором электронного захвата для измерения концентрации CO2 и N2O в пробах воздуха (1974);
определение содержания органического углерода в почве по ГОСТу 26213 – 91;
определение валового содержания кадмия и свинца по ПНД 16.1 : 2.2 : 2.3. – 02. Экономическая оценка рассчитывалась по методике А.Т. Волощука и др. (2003). Результаты исследований анализировали математическими мето дами статистического и дисперсионного анализа (Доспехов, 1985), с приме нением программ Statistic.
ГЛАВА 3. АНТРОПОГЕННОЕ ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ НА РЕГУЛИРОВАНИЕ АГРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ 3. 1. Влияние приемов основной обработки на структуру почвы Наблюдения проводились в зернотравяном севообороте, где изучаемые варианты основной обработки применяются в течение 25 лет. Видимо этого срока достаточно, чтобы выявить достоверное антропогенное влияние прие мов основной обработки почвы на формирование агроэкосистем.
Для характеристики длительного применения приемов основной обра ботки на структуру почвы использовали коэффициенты структурности.
Длительное антропогенное воздействие не привело к увеличению пылеватой фракции (0,5–0,9%) в агроэкосистемах. Наиболее высокое ее содержание отмечено на участке залежи и при ежегодной безотвальной обработке на 6- см - 0, 9% (НСР05=0,2%).
Процесс формирования мегаструктуры наиболее выражен в агроэко системе с ежегодной мелкой безотвальной обработкой на 6-8 см. Ее значения составили – 64,1%. На залежном участке – 40,6% ( НСР 05 =7,5%).
Благоприятные условия для формирования водопрочных агрегатов, в сравнении с залежным участком (87,7%), складывались в почве, обрабаты ваемой ежегодно безотвально на 6-8 см (79,4%) или при чередовании ее с ярусной вспашкой на 28-30 см (76,6%) (НСР05=3,1%). Избыточно высокая водопрочность отмечается и на варианте с ежегодной безотвальной обработ кой на 20-22 см – 76,6%. На остальных вариантах этот показатель был в пре делах от 72,0 до 72,1%.
Антропогенное влияние, механических обработок серых лесных почв приводит к снижению макроструктуры и увеличению мегаструктуры, ухудшению условий формирования водопрочных агрегатов. Наиболее бла гоприятные условия для формирования водопрочной структуры склады ваются при ежегодном безотвальном рыхлении на 6-8 см.
3.2. Влияние приемов основной обработки на гранулометрический состав почвы Основным почвообрабатывающим орудием в Опольной зоне, является отвальный плуг. Применение его приводит к формированию уплотненного слоя ниже глубины обработки – плужной подошвы. По утверждению ряда исследователей этот слой формируется по различным причинам. Наиболее объективной, как утверждают П.А. Костычев, А.И. Соколовский (1971), Н.П.
Чижикова (1998), А.А. Гольева (2008), Н.С. Матюк (2010), является вымы вание органических и минералорганических коллоидов из обработанного отвально рыхлого слоя. В не обработанном нижележащем горизонте они задерживаются, формируя уплотненный слой почвы. Проведение грану лометрического и микроагрегатного анализов, изучаемых агроценозов, поз воляет рассмотреть показатели микроагрегированности серой лесной почвы и их потенциальную способность к микроагрегированию. Определение гра нулометрического состава серой лесной почвы позволило рассчитать коэф фициент полидисперсности (рис.1).
Для залежи коэффициент полидисперсности возрастает от 11% на глу бине 0-10 см до 43,1% на глубине одного метра. На варианте с ежегодной мелкой обработкой на 6-8 см представлено аналогичное плавное распределе ние по профилю коэффициента полидисперсности (рис. 1а,б). В почвах с ежегодной отвальной вспашкой на 20-22 см на глубине 30-40 см, то есть под плужной подошвой, наблюдается минимальное значение этого коэффициента (рис. 1в). На варианте с периодической ярусной вспашкой на 28-30 см снижение значений этого показателя также отмечается под плужной подошвой на глубине 40-60 см.
а – залежь;
б – ежегодная мелкая безотвальная обработка на 6-8 см;
в – ежегодная отвальная вспашка на 20-22 см;
г – периодическая ярусная вспашка на 28-30 см Рисунок 1. Изменение коэффициента полидисперсности по профилю почвы Снижение коэффициента полидисперсности свидетельствует, что на глубине ниже плужной подошвы формируется слой более грубодисперсной почвы.
Наблюдения за «фактором структурности» (Кс) (рис. 2), характеризуют водоустойчивость микроагрегатов и потенциальную способность почвы к оструктуриванию. На залежи и на варианте с ежегодной мелкой обработкой на 6-8 см, снижение этого показателя отмечается только в верхних слоях.
Отвальная вспашка на 20-22 см обеспечивает уменьшение значений фактора структурности в слоях 30-40 см, 40-60 и 60-80 см, а периодическая ярусная вспашка на 28-30 см в слое почвы 40-60 и 60-80 см (рис. 2в,г) а – залежь;
б – ежегодная мелкая безотвальная обработка на 6-8 см;
в – ежегодная отвальная вспашка на 20-22 см;
г – периодическая ярусная вспашка на 28-30 см Рисунок 2. Изменение фактора структурности по профилю почвы Таким образом, активность преобразования микроагрегированности почвы зависит от типа антропогенного воздействия. Ежегодная безотвальная обработка почвы на 6-8 см в сравнении с залежью не оказала влияния на микроагрегированность почвы, что не привело к формированию плужной по дошвы. Активное агрогенное воздействие на почву в результате ежегодной отвальной вспашки на 20-22 см вызывает изменение микроагрегированности почвы и образования плужной подошвы в слое 20-30 см.
3.3. Влияние приемов основной обработки на плотность сложения почвы Оптимальная величина объемной массы для озимой ржи, возделываемой на тяжелом и среднем суглинке, составляют соответственно, как 1,15-1,40 г/см3 и 1,25-1,40 г/см3 (Королев, 1970). Перед обработкой под озимую рожь в агроэкосистемах (в слое почвы 0-30см) плотность сложения находилась в интервале от 1,36 до 1,54 г/см3. Проведение основной обработ ки на 20-22 и 28-30 формировала излишне рыхлый пахотный слой для возде лывания озимой ржи – 1,01-1,13 г/см3. Оптимальные показатели складыва лись в агросистеме с ежегодной мелкой безотвальной обработкой на 6-8 см – 1,21 г/см3. После сева наиболее рыхлая почва формировалась в агросистемах с обработкой на 28-30 см – 1,16-1,19 г/см3. На остальных вариантах она был в оптимальном интервале плотности сложения – 1,32-1,38 г/см3 (НСР05=0, г/см3). К возобновлению вегетации озимой ржи весной в агросистемах с ярусной вспашкой на 28-30 см почва уплотнялась и достигала – 1,29-1, г/см3. На остальных вариантах наблюдалось разуплотнение почвы до 1,30 1,34 г/см3 (НСР05=0,07 г/см3). К фазе колошения происходило дальнейшее увеличение объемной массы во всех агросистемах до уровня 1,30-1,36 г/см (НСР05 =0,09 г/см3). К уборке плотность сложения почвы, продолжала увели чиваться и достигала максимального предела оптимального интервала на вариантах с ярусной вспашкой – 1,40 г/см3. В оптимальном интервале она была на вариантах с безотвальным рыхлением и отвальной вспашкой на 20 22 см – 1,37 г/см3. При безотвальной обработке на 6-8 см объемная масса в пахотном слое превышала оптимальный уровень, но находилась у максимального предела этой величины – 1,41 г/см3 (НСР05=0,06 г/см3 ).
Обработка на 6-8 см, вместо безотвального рыхления и отвальной вспашки на 20-22 см и ярусной вспашки на 28-30 см, формирует оптималь ную плотность сложения серой лесной почвы. Отвальная вспашка на 20- см и ярусная вспашка на 28-30 см к посеву озимой ржи обуславливает избыточно рыхлый пахотный слой (1,01-1,06 г/см3).
3.4. Влияние приемов основной обработки на водный режим почвы В агроэкосистемах в годы исследований в ноябре запасы продуктивной влаги в метровом слое были на одном уровне и составили – 149,5-162,7 мм (Fф Fт ). К возобновлению вегетации озимой ржи они колебались от 182,7 до 209,9 мм. Высокие запасы продуктивной влаги отмечались на вариантах, обработанных на 20-22 и 28-30 см - 198,4-209,9 мм (НСР05=13,3 мм). К фор мированию репродуктивных органов растений запасы продуктивной влаги в агроэкосистемах составляли - 134,7-149,3 мм (Fф Fт). В период полной спелости запасы влаги соответствовали - 85,1-114,3 мм. Наиболее высокие показатели отмечались в агроэкосистемах с периодической ярусной вспаш кой на 28-30 см – 112,6-114,3 мм. При безотвальном рыхлении на 6-8 и 20- см, отвальной вспашки на 20-22 см они составили соответственно 85,1;
90,2 и 91,9 мм (НСР05=21,3 мм).
В условиях периодически промывного водного режима к ноябрю и к возобновлению вегетации озимой ржи запасы продуктивной влаги в метро вом слое не зависели от глубины рыхления, приема основной обработки и были на уровне соответственно как – 149,5-162,7 мм и 182,7-209,9 мм.
3.5. Миграция нитратного азота в зависимости от приемов основной обработки почвы Наблюдения за формированием фонда минерального азота и миграцией неиспользованных нитратов за пределы корнеобитаемого слоя почвы выявили определенные закономерности. Ежегодная безотвальная обработка на 6-8 см под зерновые культуры в течение четырех лет, приводит к накоплению нитратного азота на глубине 100-130 см до значений 1,0-1, мг/100 г почвы (рис. 3а).
а: 1 – безотвальная обработка в течении четырех лет на 6-8 см;
2 – этот же вариант, после двух лет возделывания многолетних трав (клевер);
б: 1 – безотвальная обработка на 20-22 см в течении четырех лет;
2 – этот же вариант после двух лет возделывания на нем многолетних трав (клевер) Рисунок 3. Распределение нитратного азота в двухметровом слое серой лесной почвы при безотвальных обработках В остальных слоях количество нитратов было на уровне 0,1-0,5 мг/ г почвы. Возделывание клевера красного в течении двух лет способствовало использованию, накопленных нитратов из слоя 100-130 см.
Применение ежегодной безотвальной обработки на 20-22 см привело к увеличению содержания нитратов в слое 150-160 см до значений 1,9 мг/100 г почвы (рис.3б). Возделывание клевера красного способствовало использованию мигрированного нитратного азота в профиле почвы. Однако в слоях 160-170 и 190-200 см наблюдается его накопление до 0,45-0,48 мг/100 г почвы. Видимо корневая система клевера не достигла этой глубины.
Применение ежегодной отвальной вспашки на 20-22 см приводит к концентрации нитратного азота в слоях почвы 30-40, 50-60, 70-80 см и более глубоких – 150-160 и 170-180 см (рис. 4а).
а: 1 –отвальная вспашка в течении четырех лет на 20-22 см;
2 – этот же вариант, после двухлетнего возделывания многолетних трав (клевер);
б: 1 – периодическая ярусная вспашка на 28-30 см с безотвальной обработкой на 6-8 см;
– этот же вариант после двухлетнего возделывания многолетних трав (клевер) Рисунок 4. Распределение нитратного азота в двухметровом слое серой лесной почвы при отвальных обработках Здесь содержание нитратного азота колебалось от 0,9 до 4,0 мг/100 г почвы. После возделывания многолетних трав его запасы выравнивались до значений 0,05-0,2 мг/100 г почвы. Однако в слоях 170-180 и 180-190 см содержание нитратного азота оставалось на уровне 0,31- 0,42 мг/100 г почвы.
Периодическая ярусная вспашка на 28-30 см в сочетании с безотвальной обработкой на 6-8 см приводит к концентрации нитратного азота в слоях 70 80, 110-120, 150-160, 170-180 и 180-190 см (рис. 4б). После возделывания клевера красного содержание нитратного азота в подпахотных слоях почвы снижалось до 0,05-0,21 мг/100 г почвы. Однако на глубине 180-190 и 190- см его содержание определялось значениями 0,36 - 0,49 мг/100 г почвы, что лимитируется глубиной проникновения корневой системы клевера.
Ежегодная безотвальная обработка и отвальная вспашка на 20-22 см приводит к миграции и накоплению нитратного азота соответственно на глубине 150-160 и 170-180 см. Возделывание клевера позволяет рационально использовать нитратный азот из корнеобитаемого слоя. В нижележащих слоях он остается не использован.
ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ ПО БИОЛОГИЧЕСКИМ ПОКАЗАТЕЛЯМ 4.1. Содержание органического углерода в серой лесной почве в зависимости от приема основной обработки Значение и функции соединений углерода определяются многообразием образуемых им соединений и их особой ролью в процессах почвообразования и плодородия почв. Мы использовали этот показатель для характеристики изучаемых агросистем.
В среднем за период вегетации (2008г.) на залежном участке в слое 0 30 см содержание органического С соответствовало - 25,8+1,1 г С на кг почвы. В агроэкосистемах он был на одном уровне от 31,8+2,1 до 32,5+1,4 г С на кг почвы (НСР05 = 3,12 г С на кг почвы).
В сезонной динамике отмечается тенденция снижения органического С от начала вегетации к середине. На залежи этот показатель в мае в слое 0- и 0-30 см соответственно составил 27,4+0,5 и 27,2+0,7 г С на кг почвы, к июлю он снижался до значений 25,5+0,4 и 25,1+0,4 г С на кг почвы. В агроэкосистемах в мае в слое 0-20 и 0-30 см содержание органического С колебалось соответственно от 33,4+0,6 до 34,3+0,3 (НСР05 = 1,36 г С на кг почвы) и 31,1+1,0 – 33,4+0,5 г С на кг почвы (НСР05 = 1,18 г С на кг почвы).
Низкое содержание органического С в слое 0-30 см в этот период отмечено на варианте с ярусной вспашкой на 28-30 см – 31,1 г С на кг почвы (НСР05=1,18 г С на кг почвы). К июлю этот показатель в агроэкосистемах снижался соответственно до уровня – 31,8+0,3 – 33,5+0,6 в слое 0-20 см (НСР05=1,18 г С на кг почвы) и 30,5+0,8 – 31,5+0,5 г С на кг почвы в слое 0 30 см (НСР05=1,11 г С на кг почвы). После осенней основной обработки происходило увеличение содержания органического С. В слое 0-20 см по агроэкосистемам этот показатель определялся значениями 34,1+0,6 г С на кг почвы (НСР05=1,29 г С на кг почвы). Видимо, это связано с активизацией биогенных процессов в почве за счет дополнительных источников органи ческих веществ, поступающих в почву в виде растительных остатков. С глу биной происходит снижение органического вещества во всех агроэко системах.
Содержание органического углерода в агроэкосистемах выше, чем на участке залежи и не зависит от приема и глубины основной обработки серых лесных почв. Содержание органического углерода в агроэкосистемах снижается от начала вегетации к середине и возрастает к концу вегета ционного периода.
4.2. Влияние приемов основной обработки на микробиологическую активность серой лесной почвы Биологическая активность почвы агроэкосистем оценивается по вели чине продуцирования углекислого газа микробиологическим комплексом серой лесной почвы. Выделение углекислого газа из почвы, характеризует стадии круговорота углерода и служит показателем темпов разложения органического вещества, интенсивности биогенных процессов в почве и отражает уровень ее плодородия.
На участке залежи было установлено максимальное дыхание микроорганизмов. Средние показатели на залежи в течение вегетационного периода определились значениями эмиссии С - CO2 - 3,0 мг CO2 за час из кг почвы (рис. 5).
3, 2, мг С-СО2 кг -1 час- 1, 0, 1 2 3 4 май июль сентябрь 1- залежь;
2 – ежегодная безотвальная на 6-8 см;
3 – ежегодная безотвальная на 20-22 см;
4 – ежегодная отвальная вспашка на 20-22 см;
5 – периодическая ярусная вспашка на 28-30 см Рисунок 5. Сезонная эмиссия С- CO2 из слоя 0-30 см серой лесной почвы В агросистемах повышенной эмиссионной способностью выделяются почвы с мелкой обработкой. На ежегодной мелкой обработке эмиссия С- CO составила 2,6 мг CO2 за час из кг почвы. В них наблюдается большая интенсивность протекания биохимических процессов, связанных с минерали зацией органического вещества, по сравнению с глубокими обработками почвы. На ежегодной отвальной вспашке на 20-22 см продуцирование угле кислого газа составило 1,97 мг CO2 за час из кг почвы, что является самым низким показателем в рамках изучаемых агроэкосистем, на ежегодной глубо кой безотвальной – 2,12 мг CO2 за час из кг почвы. На периодической ярусной вспашке на 28-30 см к середине вегетации этот показатель определялся 2,27 мг CO2 за час из кг почвы. Однако после проведения осенней безотвальной обработки на 6-8 см он увеличивался и достигал значений – 2,77 мг CO2 за час из кг почвы, что было на уровне ежегодной мелкой обработки. В наших исследованиях динамика выделения CO2 из почвы зависела от приемов основной обработки почвы, а также от периода вегетации озимой ржи. Наблюдается тенденция увеличения эмиссии углекис лоты в период колошения растений, что может быть связано с ростом корне вой системы озимой ржи и нарастания процессов дыхания почвы за счет повышения активности ризосферной микрофлоры.
4.3. Влияние приемов обработки на целлюлозоразлагающую активность почвы В результате механических обработок изменяются не только физичес кие свойства почвы, но происходит перераспределение органического мате риала в обрабатываемых слоях. Это определяет микробиологическую актив ность целлюлозоразлагающей микрофлоры.
Более активно разложение льняного полотна наблюдалось в агросистемах с ежегодной отвальной на 20-22см и периодической ярусной вспашкой на 28-30 см. Разложение клетчатки в слое 0- 30 см этих агросистем соответственно было 31,8 и 37,9% (рис. 6).
разложение целлюлозы, % 1 2 3 4 10-20см 0-10см 20-30см 0- 0-30cм 1 – залежь;
2- ежегодная безотвальная на 6-8 см;
3 – ежегодная безотвальная на 20-22 см;
4 – ежегодная отвальная вспашка на 20-22 см;
5 – периодическая ярусная вспашка на 28 30 см.
Рисунок 6. Степень минерализации целлюлозы в зависимости от приема основной обработки почвы Это обусловлено высокой аэрацией и низкой плотностью сложения почвы, наличием достаточного количества растительных остатков. Все это способствовало увеличению пула микроорганизмов – целлюлозолитиков.
Высокая степень минерализации целлюлозы в слое 0-20 см отмечалась и на участке залежи. Основной причиной активности целлюлозоразлагающей микрофлоры, вероятно можно считать, обильное развитие в слое 0-20 см корневой системы растений, выделения корнями специфических биологически активных веществ, концентрацией органических остатков.
Ежегодное повторение и наложение этих процессов обусловило форми рование микробного пула с высокой активностью целлюлозоразрушающей микрофлорой, обеспеченной энергетическим материалом. В слое 20-30 см минерализационная активность залежи резко снижается до слабой – 18,1%.
В агроэкосистемах, обработанных безотвально интенсивность минерали зации целлюлозы в слое 0-30см достоверно ниже и определяяется зна чениями 22,4 и 15,1% (НСР05= 7,4%) и соответствует слабой интенсивности минерализации. Самая низкая интенсивность разложения клетчатки отме чается в пахотном слое, обработанном безотвально на 20-22 см.
Таким образом, по интенсивности минерализации целлюлозы агроэкосистемы с безотвальными обработками уступают почве залежи и агрофонам, обработанным отвально.
4.4. Ферментативная активность каталазы в зависимости от приема основной обработки почвы В своих исследованиях мы учитывали активность окислительно восстановительного фермента каталазы, участвующего в биогенезе гумму совых веществ. Значения активности каталазы используют для предва рительной оценки биологической активности почвы и уровня ее плодородия.
Наблюдения показали, что в агроэкосистемах и на залежном участке, актив ность фермента с глубиной снижается не зависимо от приема и глубины основной обработки почвы.
Наибольшее выделение кислорода отмечалось в почве залежи, что указывает на активность почвенной биоты и ферментов в естественных био ценозах. Особенно увеличение катализа окислительно-восстановительных процессов наблюдалось в верхнем 0-10 см слое почвы – 4,0 мл О2/1г почвы в минуту.
Динамика средних значений активности каталазы в агроэкосистемах в слое 0-10 см была в пределах 2,5-3,3 мл О2/1г почвы в минуту (коэффициент вариации U=3,74%, НСР05=0,7%)(рис.7). Достоверное снижение ферментати вной активности каталазы отмечено при ежегодной безотвальной обработке на 20-22 см. В слое 0-30 см этот показатель был на уровне - 2,4 мл О2/1г поч вы в минуту (U=3,74%).
Применение ежегодной безотвальной обработке на 6-8 см увеличивало окислительно-восстановительные процессы в почве. Наиболее активны в этом отношении слои 0-10 и 10-20 см.
4, мл О2 /1 г почвы в минуту 3, 2, 1, 0, 1 2 3 4 0-10см 10-20см 20-30см 0- 0-30cм 1 – залежь;
2- ежегодная безотвальная на 6-8 см;
3 – ежегодная безотвальная на 20-22 см;
4 – ежегодная отвальная вспашка на 20-22 см;
5 – периодическая ярусная вспашка на 28 30 см.
Рисунок 7. Активность каталазы в зависимости от приема обработки серых лесных почв Ферментативная активность в этой агросистеме в слое 0-30 см опреде лялась значением - 3,2 мл О2/1г почвы в минуту, что достоверно выше, чем в агроэкосистемах с ежегодной безотвальной обработкой и отвальной вспаш кой на 20-22 см, периодической ярусной вспашкой на 28-30 см (НСР05=0,3%).
Вариация значений активности каталазы, в рамках изучаемых агроэкосистем по слоям почвы не велика. Это свидетельствует о том, что во всех агроэкосистемах окислительно-восстановительные процессы биогенеза гумусовых веществ, протекают равномерно.
4.5. Эмиссия закиси азота в зависимости от приемов основной обработки почвы Количество, выделяемого N2O показывает уровень биологической активности почвы, экологическую направленность биохимических про цессов, протекающих при сельскохозяйственном использовании земель.
Изучение эмиссии азота из почвы показало, что внесение минеральных удобрений привело к достоверно большим (р0,001) потерям N в виде N2O.
Максимальное выделение N2O с внесением удобрений отмечено из агроэко систем с ежегодной отвальной вспашкой на 20-22 см (708+127 мг N2O- N м-2) и периодической ярусной вспашкой на 28-30 см (710+120 мг N2O - N м-2) (рис.8). По убыванию располагаются - агроэкосистема с ежегодной безотва льной обработкой на 6-8 см (462 мг N2O - N м-2) и с ежегодной безотвальной обработкой на 20-22 см (228 мг N2O - N м-2). Кумулятивный поток N2O с поверхности почвы без внесения азота достоверно больше (р0,05) в агроэкосистеме с отвальной вспашкой на 20-22 см (140+27 мг N2O – N м-2), а наименьший при ежегодной безотвальной обработке на глубину 6-8 см (38,7+3 мг N2O - N м-2).
мг N2O-N м- 1 2 - с удобрением;
- без удобрений 1- ежегодная безотвальная на 6-8 см;
2 – ежегодная безотвальная на 20-22 см;
3 – ежегодная отвальная вспашка на 20-22 см Рисунок 8. Кумулятивная эмиссия N2O из серой лесной почвы в зависимости от агрогенной нагрузки Эмиссионный фактор (процент потери азота в виде закиси от количес тва внесенного азота с удобрениями) не превысил критических значений 1,25% (JPCC) ни в одной из агроэкосистем. В агроэкосистеме с ежегодной отвальной вспашкой на 20-22 см этот показатель составил 0,66%, при периодической ярусной вспашке на 28-30см – 0,68%, ежегодной безот вальной на 6-8 см и 20-22 см – 0,54% и 0,27% соответственно. Таким обра зом, ежегодные безотвальные обработки на глубину 6-8 см и 20-22 см прив ли к меньшей эмиссии N2O из серой лесной почвы, чем ежегодная отвальная вспашка на глубину 20-22 см. Они являются оптимальными с агроэко логической точки зрения.
ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ АГРОЭКОСИСТЕМ НА СОДЕРЖАНИЕ В ПОЧВЕ СВИНЦА И КАДМИЯ Применение ежегодной безотвальной обработки на 6-8 см в течении лет обусловило в слое 0-10 и 10-20 см содержание валовых форм свинца на уровне залежного участка – 9,4+0,94 и 6,4+0,64 мг/кг почвы (НСР05=1,87 и 1,49 мг/кг почвы). Содержание валового кадмия в слое 0-10 см увеличилось на 0,13 мг/кг почвы (НСР05=0,24 мг/кг почвы). В слое 10-20 см его содер жание оставалось на уровне участка залежи – 1,26+0,13 мг/кг (НСР05=0, мг/кг почвы).
Увеличение содержания свинца и кадмия наблюдается в агроэкосистеме с ежегодной отвальной вспашкой на 20-22 см. Содержание свинца в слое 0-10 см оставалось на уровне участка залежи - 10,4+1,04 мг/кг (НСР05=1,87 мг/кг почвы), а в слое 10-20 см этот показатель увеличивался до 8,9+0,89 мг/кг почвы (НСР05=1,49 мг/кг почвы). Концентрация кадмия в слое 0-10 см возрастала до 1,39+0,14 мг/кг почвы (НСР05=0,24 мг/кг почвы). В слое 10-20 см отмечается тенденция к накоплению этого элемента до 1,33+0,14 мг/кг почвы (НСР05=0,27 мг/кг почвы).
Таким образом, длительное применение ежегодной отвальной вспашки на 20-22 см, в результате сжигания дизельного топлива, обуславливает тенденцию увеличение содержания в серой лесной почве валовых форм свинца и кадмия (до 9,7+0,96 и 1,36+0,14 мг/кг) по сравнению с залежью (7, +0,78 и 1,14+ 0,12). Применение ежегодного безотвального рыхления на 6- см, за счет уменьшения количества используемого топлива, не приводит к накоплению тяжелых металлов в слое почвы 0-20 см. В целом уровень содержания свинца и кадмия в изучаемых агроэкосистемах не превышает ПДК этих элементов в серой лесной почве.
ГЛАВА 6. ПРОДУКТИВНОСТЬ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ АГРОЭКОСИСТЕМ Изучаемые агроэкосистемы предназначены для производства сельскохозяйственной продукции – выращивания зерна озимой ржи.
Сравнительная оценка продуктивности, изучаемых агроэкосистем показывает, что наиболее высокий урожай зерна озимой ржи был получен в агроэкосистемах с безотвальной обработкой на глубину 6-8 и 20-22 см.
В среднем за 2007 и 2008 годы он составил 59,3 и 58,3 ц/га соответ ственно. В агроэкосистемах с отвальной вспашкой на 20-22 см и ярусной вспашкой на 28-30 см продуктивность озимой ржи варьировала от 55,8 до 56,8 ц/га.
Расчет экономической эффективности производства зерна озимой ржи показывает, что при безотвальной обработке на 6-8 и 20-22 см расход дизел ного топлива на один центнер зерна снижается, в сравнении с отвальной вспашкой, на 32 и 14 % соответственно. Применение ярусной вспашки на 28-30 см приводит к увеличению расхода топлива на 4% в сравнении с отвальной вспашкой.
Важнейшим экономическим показателем в производстве сельскохозяйственной продукции является и сокращение затрат рабочего времени на производство 1 центнера зерна. В агроэкосистемах с безотва льной обработкой на 6-8 и 20-22 см в сравнении со вспашкой на 20-22 см потребность рабочего времени на производство 1 центнера зерна озимой ржи снижается на 25 и 12 % соответственно.
Таким образом, применение приемов безотвальной обработки на 6-8 и 20-22 см вместо отвальной вспашки на 20-22 см обеспечивает уменьшение расхода дизельного топлива на производство 1 центнера зерна на 32 и 14 %, а потребность рабочего времени на 25, 12 % соответственно.
ВЫВОДЫ 1. Антропогенное влияние, обусловленное ежегодными основными обработками, приводит к ухудшению агрофизических свойств серой лесной почвы. Это выражается в ухудшении условий формирования водопрочных агрегатов, снижении микроагрегированности почвы, изменении коэффициента полидисперсности и плотности сложения почвы. Близкие к оптимальным агрофизические показатели формируются в агроэкосистемах при использовании безотвального рыхления почвы на глубину 6-8см.
2. Применение под зерновые культуры безотвальных обработок на 6-8, 20 22 см обуславливают накопление неиспользованного нитратного азота в корнеобитаемом слое преимущественно на глубине 100-160см. При исполь зовании отвальной вспашки на 20-22 см происходит более интенсивное вымывание нитратного азота и накопление его на глубине 60-80 и 160- см. Возделывание клевера красного позволяет использовать мигрированный нитратный азот из почвы до глубины 160 - 170 см.
3. Высокий уровень биологической активности по интенсивности продуцирования С-СО2 отмечается на участке залежи и в агросистеме с ежегодной безотвальной обработкой на 6-8см. Ферментативная активность каталазы (3,2 мл О2/1г почвы в минуту) также достоверно выше в почве этой агроэкосистемы. По интенсивности минерализации целлюлозы агроэкосистемы с безотвальными обработками уступают почве залежи и агрофонам, обработанным отвально.
4. Ежегодные безотвальные обработки на 6-8 см и 20-22 см приводят к меньшей эмиссии N2O из серой лесной почвы, чем ежегодная отвальная вспа шка на 20-22 см. Они являются оптимальными с агроэкологической точки зрения. Эмиссионный фактор (процент потери азота в виде закиси от количества внесенного азота с удобрениями) не превысил критических значений 1,25% (JPCC) ни в одной из агроэкосистем.
5. Длительное применение ежегодной отвальной вспашки на 20-22 см, в результате сжигания дизельного топлива, обуславливает увеличение содержания в серой лесной почве валовых форм свинца и кадмия (до 9,7+0,96 и 1,36+0,14 мг/кг) по сравнению с залежью (7,8 +0,78 и 1,14+ 0,12).
Использование ежегодного безотвального рыхления на 6-8 см, за счет уменьшения количества топлива, не приводит к накоплению тяжелых металлов в слое почвы 0-20 см. В целом уровень содержания свинца и кадмия в изучаемых агроэкосистемах не превышает ПДК этих элементов в серой лесной почве.
6. Использование безотвальной обработки на 6-8см уменьшает расход дизельного топлива на производство 1 центнера зерна на 32 %, (по сравнению с отвальной вспашкой), не снижая продуктивности возде лываемой культуры. Применение этого приема позволяет оптимизировать эколого-биологическое состояние агроэкосистем в Опольной зоне за счет снижения антропогенного воздействия на педосферу.
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ С целью сокращения уровня агрогенного воздействия и биологизации приемов основной обработки серой лесной почвы, при возделывании озимой ржи, отвальную вспашку на 20-22 см целесообразно заменить на мелкую безотвальную обработку на 6-8 см.
Материалы исследований могут быть использованы для подготовки специалистов почвенно – экологического и земледельческого профиля в вузах ЦНЗ в соответствующих разделах курсов агроэкологии, почвоведения, земледелия, а также для разработки научных рекомендаций производству в целях сохранения и повышения плодородия серой лесной почвы.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Зинченко, В.С. Антропогенное преобразование серой лесной почвы/ В.С. Зинченко, З.М. Петрова. Агрохимический весник.-2009.-№1- С.36-37.
2. Зинченко, С.И. Влияние обработки на агрогенное преобразование серых лесных почв/ С.И. Зинченко, З.М. Петрова, В.С. Зинченко. Земледе лие.-2010.- №1. С.20-21.
3. Зинченко, М.К. Влияние приемов основной обработки почв на биологическую активность серых лесных почв Владимирского ополья/ М.К.
Зинченко, Н.П. Бучкина, Е.Я. Рижая, С.В. Павлик, В.С. Зинченко. Земледе лие.-2011.- № 8. С.25-27.
4. Зинченко, С.И. Приемы основной обработки серых лестных почв/ С.И. Зинченко, В.С. Зинченко. Сб. докладов: Международная научно-прак тическая конференция Республика Казахстан.-«Ресурсосбережение и дивер сификация как новый этап развития идей А.И.Бараева о почвозащитном земледелии» Шортанды, 2008.- С.72-77.
5. Зинченко, В.С. Влияние приемов обработки серых лесных почв на развитие корневой системы озимой ржи/ В.С.Зинченко, А.А.Безменко//Сборник докладов: Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии для земледелия и животноводства Владимирского ополья» Владимирский НИИСХ.-Суздаль, 2008.- С.77-81.
6. Зинченко, В.С. Оптимальная плотность серых лесных почв/ В.С.
Зинченко, А.А.Безменко, Д.А. Талеева. Актуальные проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса//Иваново:ФГУ ИГСХА, 2009.- Том 1.- С. 47-50.
7. Зинченко, В.С. Влияние техногенеза в агросистеме на запасы продуктивной влаги/ В.С. Зинченко, А.А.Безменко, Д.А.Талеева. Акту альные проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса// Иваново: ФГУ ИГСХА, 2009.- Том 1.- С.47-50.
8. Шеин, Е.В. Полевые методы агрофизического исследования почвен ного покрова/ Е.В. Шеин, С.И. Зинченко, М.В. Банников, А.И. Позняков, В.С. Зинченко. Методическое руководство.- Владимир, 2009.- 68с.
9. Зинченко, В.С. Агрогенное влияние на водный режим серых лестных почв в условиях их неоднородности/ В.С. Зинченко, А.А.Безменко, Д.А.Талеева. Материалы:Межднародной научно-практической «Эрозия почв:
проблемы и пути повышения эффективности растениеводства» Ульяновский НИИСХ.-Ульяновск, 2009.- С.115-117.
10. Зинченко, С.И. Влияние приемов обработки на структурно-функци ональные свойства серых лесных почв/ С.И. Зинченко, В.С. Зинченко.
Сборник: Материалы докладов на международной научно-практической конференции «Нанобиотехнологии в сельском хозяйстве». Доклады ТСХА.
М,2009,-Вып. 281.- С.37-39.
11. Мазиров, М.А. Влияние системы основной обработки серых лес ных почв под озимую рожь на ее продуктивность/ М.А. Мазиров, В.С. Зин ченко, А.А. Безменко. Сборник докладов: Материалы Всероссийской науч но-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии обработки почвы в адаптивном земледелии» РГАУ-МСХА.-М.,2010.- С.325-330.
12. Buchkina, N.P. N2O emission from loam gey soil under different tillade in Vladimir redion on Russia / N.P. Buchkina, E.Y.Rizhiya, S.V. Pavlik, B.S.Zinchenko, S.I. Zinchenko. Conference ege University Facylty of Agriculture Department of Agricultural Vachinery 35100 Bornova – izmir/ Turkey. June 15 – 19. 2009. – T. 6. – 003 – 1 – 6.