Эколого-агрохимические аспекты воспроизводства плодородия почв и длительного применения удобрений

Министерство образования  и науки Российской Федерации

ФГБУ ВПО

Уральский государственный  горный университет

Кафедра природообустройства

 

РЕФЕРАТ

По дисциплине: Управление качеством окружающей среды

На тему: "Эколого-агрохимические аспекты воспроизводства 
плодородия почв и длительного применения удобрений"

 

 

Проподаватель: к.т.н. доцент Тяботов И.А.

                           Студент: Белоусов К.В.

Группа: ПРО-07

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург 2013 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

 

1 Введение 3

2 Изменение плодородия почвы под влиянием длительного внесения удобрений 4

3 Взаимодействие природных и антропогенных факторов, определяющих миграцию нитратов в почве 13

4 Активность азотфиксации и денитрификации при длительном внесении удобрений 16

5. О причинах “скрытого” отрицательного действия минеральных удобрений 20

6. Минеральное питание и устойчивость посевов к болезням 22

6. Длительное внесение удобрений и накопление тяжелых металлов в почве 25

7. Заключение 27

8. Литература 28

 

1 Введение

Значительная часть территории России находится в зоне рискованного земледелия. На всем ее огромном пространстве практически нет сельскохозяйственных угодий, имеющих оптимальный гидротермический режим и достаточное поступление солнечной радиации.

Устойчивое развитие земледелия в регионах с неблагоприятным биоклиматическим потенциалом возможно только на высокоплодородных почвах, в значительной степени смягчающих отрицательное влияние недостатка тепла и влаги, а также солнечной радиации на формирование продуктивности культурных растений. Однако этот ресурс отечественного земледелия за последние 10 лет практически не возобновляется. Резкое снижение уровня применения органических и минеральных удобрений в аграрном секторе страны приводит к постепенному истощению почв, и в первую очередь тех, которые не отличаются высоким естественным плодородием.

В настоящее время свыше 45% пахотных земель имеют низкое содержание гумуса, в том числе 16% - критическое. В Нечерноземной зоне доля последних составляет около 50%. Площади почв с низким содержанием подвижных форм фосфора и калия в последнее время снизились до 24 и 10% соответственно. По данным Агрохимслужбы России, 44% площадей сельскохозяйственных угодий занято почвами с повышенной кислотностью. В первоочередном известковании нуждаются 14% пахотных почв, имеющих pH солевой вытяжки менее 5,0, доля почв с pH до 5,5 составляет 34%. Установлено, что из-за повышенной кислотности почв земледелие России ежегодно недобирает около 10-12 млн т растительной продукции в пересчете на зерно.

Азотные удобрения, являясь  высокоэффективным средством интенсификации продукционного процесса растений и воспроизводства плодородия почв, при несбалансированном применении могут воздействовать на агроэкосистему и в неже­лательном направлении. Это проявляется в подкислении почвы, усилении подвижности обменных оснований и гумусовых веществ под влиянием физиологически кислых азотных удобрений, в вымывании нитратов за пределы корнеобитаемого слоя почвы и загрязнении ими грунтовых и поверхностных вод, в нарушении уравновешенности процессов азотного цикла. С азотными удобрениями в почву поступает определенное количество балластных веществ, в том числе тяжелых металлов, таких как свинец, медь и цинк. Образующиеся в результате процесса денитрификации оксиды азота участвуют в разрушении озонового экрана Земли и усиливают проникновение ультрафиолетовой радиации. Избыточный уровень азотного питания при неуравновешенном поступлении в растения других элементов, особенно фосфора, вызывает накопление нитратов в овощных и кормовых культурах, что ухудшает качество получаемой продукции. Посевы, имеющие несбалансированный уровень азотного питания, как правило, подвержены полеганию, сильнее поражаются болезнями и вредителями. Таким образом, одностороннее применение азотных удобрений представляет большую опасность для окружающей среды.

2 Изменение плодородия  почвы под влиянием длительного  внесения удобрений

Гумусное состояние и азотный режим почвы. Содержание гумуса в почве является одним из важнейших показателей ее плодородия. При длительном возделывании сельскохозяйственных культур, как правило, наблюдается преобладание процессов его разложения над новообразованием и происходит постепенное снижение гумусированности почвы. Основной способ регулирования сбалансированного круговорота углерода в агроценозах - применение органических удобрений. Большое значение в стабилизации гумусного состояния почвы имеет периодическое выращивание в севообороте многолетних трав, в гораздо большей степени, чем другие культуры, обогащающих почву растительными остатками. На кислых почвах с малой буферностью выявлена высокая положительная роль известкования в снижении минерализации и подвижности гумуса [Доспехов и др., 1975; Шильников, Лебедева, 1987]. Систематическое внесение в севообороте минеральных удобрений, как правило, не предотвращает потерь гумуса, а лишь снижает их за счет поступления в почву большего количества пожнивных и корневых остатков и включения их в процесс гумусообразования [Хлыстовский и др., 1979; Яговенко, 1995].

Исследования, проведенные  нами в стационарных полевых опытах на серых лесных почвах, показали, что минеральные удобрения в определенных условиях могут оказаться более сильно действующим фактором воспроизводства гумусного состояния, чем это обычно принято считать. Так, применение двойной и тройной доз азота в составе полного минерального удобрения в зернопропашном севообороте, сопровождающееся подкислением почвы с pH = 5,2 до pH = 4,9 - 4,7, вызывало тенденцию к снижению содержания общего углерода в пахотном слое почвы от 1,21 до 1,13 и 1,10%. Это происходило за счет убыли в его составе гуминовых кислот и фульвокислот. Последующее четырехлетнее выращивание в севообороте многолетних злаковых трав, которому предшествовало известкование почвы, позволило создать более благоприятные условия для новообразования гумусовых веществ. Несмотря на то что содержание общего углерода в пахотном слое почвы за данный период и не достигло исходного уровня, запасы его в расчете на 0-60-сантиметровую толщу повышались от 48,7 т/га на контроле до 51,0 и 50,8 т/га на вариантах с внесением двойной и тройной доз азотного удобрения. На наш взгляд, это связано со стабилизирующим действием поступившего с известью кальция на минерализацию и подвижность гумуса в почве, а также с существенным увеличением массы корневых остатков трав (до 100 ц/га сухого вещества), являющихся исходным материалом для гумусообразования.

Уравновешенный баланс углерода в почве складывается также на фоне длительного применения возрастающих доз азота на фоне Р80К60 в 9-польном севообороте с двумя полями клевера и четырьмя полями зерновых злаков, солому которых измельчали и заделывали в пахотный слой. В таких условиях продуктивность культур севооборота повышается на 7-11 ц/га з.е. в среднем за год, а доля углерода растительных остатков, поступающих в почву, возрастает в полтора раза (от 1606 до 2479 кг/га в среднем за год).

Рассмотрим данные, характеризующие  воздействие удобрений на азотный  режим почвы. Большинство исследователей [Гордецкая, 1976; Хлыстовский и др., 1979; Бобер, 1991; Яговенко, 1995] полагают, что воспроизводство азотного фонда почв возможно только путем систематического применения органических удобрений. Внесение одних минеральных удобрений, как правило, позволяет лишь замедлить потери азота из почвы, обеспечивая в некоторых случаях достижение уравновешенного баланса этого элемента питания в агроценозе [Доспехов и др., 1975; Кузьмич, 1989; Черных, 1989]. Существует также мнение о том, что усиление минерализации почвенного азота под влиянием азотных удобрений может привести к его истощению [Кудеяров, 1989].

Исследования, проведенные в многолетних стационарных полевых опытах на серых лесных почвах, показали [Гордецкая, 1976; Бобер, 1991; Яговенко, 1995], что в условиях длительного внесения в виде минеральных удобрений от 32 до 102 кг/га азота на гектар севооборотной площади и дефиците его баланса в системе растение - удобрение, равном -(22-50) кг/га, не отмечено снижения содержания общего азота в корнеобитаемом слое почвы по сравнению с контрольным вариантом. Можно предполагать, что выявленный на основе расчетов дефицит азота компенсируется поступлением его в почву за счет несимбиотической азотфиксации, активность которой под высокопродуктивными посевами усиливается.

Правомерно и другое объяснение наблюдаемому несоответствию расчетного и действительного баланса азота в агроценозах, оно базируется на результатах исследований нисходящей и восходящей миграции нитратов в почвенной толще и доступности их растениям [Никитишен, 1984; Никитишен и др., 1999]. В многолетних стационарных полевых опытах нами установлено, что основной формой минерального азота, образующейся при длительном взаимодействии азотных удобрений с серой леснойпочвой, являются нитраты. При сильном колебании количества атмосферных осадков, выпадающих в теплое время года в районе проведения исследований (264-562 мм за апрель-октябрь в период 1972-1996 гг.), и промачивании почвенной толщи по меньшей мере раз в три года наблюдается нисходящее передвижение нитратов на глубину до 300 см. На фоне внесения высоких доз азота (900 кг/га в сумме за 5 лет) за пределы пахотного слоя почвы проникает до 35% этого элемента питания, что соизмеримо с усвоением его растениями (34%). Учитывая содержание общего азота только в слое почвы 0-20 см, следовало бы констатировать дефицитный его баланс в агроценозе, достигающий 42% от внесенного с удобрением. Принимая во внимание долю нитратов, вымывшихся глубже верхнего слоя почвы, можно утверждать снижение дефицита азота до 6%.

Для суждения о правомерности  глубокопочвенного подхода к оценке складывающегося баланса азота в системе почва-удобрение-растение необходимо располагать информацией о степени доступности вымывшихся нитратов посевам сельскохозяйственных культур. Исследования, проведенные в стационарных полевых опытах, показали, что наряду с нисходящей миграцией нитратов наблюдается восходящее их передвижение в почвенной толще, вызываемое подтягиванием влаги и вымывшихся нитратов к фронту промерзания почвы, глубина которого, по нашим данным, колеблется в зоне распространения серых лесных почв ополья от 15 до 152 см. При этом чем глубже промерзает почва в предшествующий зимний период, тем больше нитратов подтягивается в зону досягаемости корневых систем и усваивается растениями. Наиболее выраженной способностью к использованию нитратов, содержащихся в почвенной толще, обладают многолетние злаковые травы, имеющие глубокопроникающую корневую систему. Благодаря четырехлетнему выращиванию трав на фоне последействия возрастающих доз азотного удобрения при остаточном количестве нитратов в толще почвы, равном 24, 144 и 330 кг/га азота, и промерзании почвы на глубину 86-139 см они усваивали 35, 144 и 276 кг/га соответственно этого элемента питания. Тесная зависимость использования растениями остаточного количества нитратов от глубины промерзания почвы наблюдалась также в посевах ячменя и озимой пшеницы [Никитишен и др., 1998]. Таким образом, при анализе складывающегося баланса азота в агроценозах правомерно рассматривать вымывшиеся глубже пахотного слоя почвы нитраты не как потери, а в качестве источника усвояемого азота для последующих культур севооборота.

Рассмотрим данные по балансу азота, складывающемуся в условиях систематического внесения возрастающих доз азотного удобрения в севообороте с клевером на почве с очень низким исходным содержанием подвижных фосфатов. Характерная особенность поля 1, на котором был размещен стационарный полевой опыт, - высокое содержание остаточных нитратов в почвенной толще 0-200 см вследствие одностороннего применения азотных удобрений в период, предшествующий закладке полевого опыта. Эти два фактора - недостаточная обеспеченность фосфором и насыщенность почвенного профиля нитратами - предопределили слабое использование растениями азота из удобрения в 1-й ротации 9-польного севооборота. При внесении с удобрением 390, 780 и 1170 кг/га азота посевы за период 1978-1986 гг. усвоили всего 31, 27 и 19% от этого количества, 45, 35 и 28% закреплялось в почве в органической форме, а 15, 23 и 24% аккумулировалось в виде нитратов в почвенной толще 0-200 см. Во 2-й рота­ции севооборота, когда благодаря предшествующему и текущему внесению фосфорного удобрения фосфатный уровень почвы был доведен до оптимума [Никитишен и др., 1995, 1997], а остаточное количество нитратов, содержащееся в почвенном профиле во время закладки полевого опыта, использовалось посевами [Никитишен и др., 1999], коэффициент потребления ими азота из удобрения возрос в 2-2,5 раза. В итоге при поступлении в почву за две ротации 9-польного севооборота 720, 1440 и 2160 кг/га азота суммарное использование его культурами севооборота составляло 53, 50 и 37%, доля его включения в состав почвенных органических соединений оставалась на прежнем уровне (42, 29 и 25%), а содержание нитратов в толще почвы 0-200 см понижалось до 0, 7 и 8%. Наблюдения за динамикой миграции нитратов в почвенном профиле показали, что выявленный дефицит азота обусловлен главным образом вымыванием этих азотных соединений за пределы верхних двух метров почвы.

Складывающийся баланс азота  в агроценозах - результирующая одновременно протекающих и взаимосвязанных процессов азотного цикла в почве, испытывающей как прямое, так и косвенное воздействие длительного применения удобрений в севообороте. Установлено (рис. 1), что по мере повышения содержания нитратного азота в почве, обусловленного внесением азотного удобрения, ее нитрифицирующая способность снижается, достигая минимальных значений 6-7 мг/100 г. Наблюдаются тенденция к прямой зависимости потенциальной активности денитрификации от содержания нитратов в почве, а также снижение максимальных значений потенциальной активности несимбиотической азотфиксации по мере повышения концентрации аммонийного азота в почве [Егорова, Никитишен, 1993]. Выявленную закономерность в ограничении дополнительного продуцирования нитратов почвой, уже имеющей определенный уровень их концентрации, вероятно, следует рассматривать как одно из проявлений саморегуляции при функционировании почвенной микрофлоры. При этом имеет значение и подкисление почвы, сопутствующее накоплению в ней нитратов. Основным направлением минимизации содержания нитратов в почве, избыток которых предопределяет потери азота, является обеспечение благоприятного сочетания почвенно-агрохимических и агроэкологических факторов.

Рис. 1. Зависимость нитрифицирующей способности почвы от исходного содержания в ней нитратного азота

Нитрифицирующая

способность почвы, мг/100 г

Нитратный азот в  почве, мг/100 г

Что касается поведения аммонийного азота в серых лесных почвах, то в условиях хорошей аэрации при оптимальной кислотности он достаточно быстро, в течение двух недель, подвергается нитрификации. Поэтому накопления аммонийной формы минерального азота в почве до концентраций, которые могли бы оказать ощутимое отрицательное воздействие на активность несимбиотической азотфиксации, не наблюдается.

Фосфатный режим  почвы. Исследования, проведенные на серых лесных почвах, показали [Никитишен, 1984; Маркина, 1986; Яговенко, 1995; Алиева, 1996], что при длительном взаимодействии их с фосфорными удобрениями фосфор включается в состав соединений, характерных для этих почв. В I пахотном слое наблюдается увеличение количества всех пяти фракций минеральных фосфатов, по методике Гинзбург-Лебедевой, причем, особенно сильно растет концентрация однозамещенных фосфатов кальция и магния, а также фосфатов полуторных оксидов. Доля фракций двузамещенных фосфатов кальция и фосфатов алюминия и железа в общей сумме минеральных фосфатов не изменяется, а относительное содержание труднорастворимых фосфатов пятой фракции заметно снижается. Следовательно, под воздействием фосфорных удобрений не только повышаются общие запасы минеральных соединений фосфора в почве, но и усиливается их подвижность. Последнее затрагивает также нижележащие горизонты почвы [Доспехов и др., 1975], что связано с перераспределением фосфатов в почвенном профиле благодаря деятельности корневых систем, усилению подвижности обменных оснований, полуторных оксидов и гумусовых веществ вследствие подкисления под влиянием физиологически кислых удобрений, главным образом азотных [Гордецкая, 1976; Никитишен, 1984; Яговенко, 1995].