Повышение эффективности оросительных мелиораций в агроценозах картофеля и сои на основе применения иловых осадков

Полный текст

Введение

Продовольственная безопасность остается одной из главных глобальных проблем человечества, требующей систематического поиска решений, что связано с флуктуациями климата, ростом численности населения Земли и дефицитом пресных водных ресурсов. По оценкам ФАО в 2022 г. в мире насчитывалось более 780 млн голодающих, и это на 19 % больше допандемийного 2019 г., при этом доступность пресной воды на душу населения сократилась более чем на 20 % [1, 2]. В этой связи сельское хозяйство для повышения производительности и обеспечения возросшей потребности в продовольствии должно стать более невосприимчивым к участившимся биофизическим и социально-экономическим стрессам. Проблема усугубляется еще и тем, что аграрное производство является крупнейшим водопользователем, на его долю приходится более 70 % глобального объема забираемой пресной воды. А так как 40 % мирового объема продовольствия производится на орошаемых землях, занимающих не более 19 % в структуре посевных площадей, продовольственная безопасность в различных вододефицитных регионах мира может быть достигнута за счет реализации передовых агротехник в сочетании с повышением продуктивности использования оросительной воды [3, 4].

Помимо традиционных методов повышения эффективности орошения за счет увеличения урожайности возделываемых сельскохозяйственных культур и уменьшения эвапотранспирации, некоторое распространение в земледелии получило использование очищенных сточных вод [5–7] и иловых осадков [8–10] в качестве альтернатив поливной воде и удобрительно-мелиорирующим веществам соответственно. Однако широкое применение данных «продуктов» сдерживается наличием в них небезопасных биологических и химических компонентов, требующих нейтрализации. К примеру, в России применение осадков сточных вод (ОСВ) в качестве удобрений не превышает 7 % от производимого объема (около 13 млн т при влажности 75 %, или 2,5 млн т в пересчете на сухое вещество) [11, 12]. Тем не менее уже имеются технологии, обеспечивающие получение стабилизированного ОСВ, обладающего влагосорбирующими и водоудерживающими свойствами за счет рыхлой и шероховатой пористой структуры с размером частиц от 0,1 до 500 мкм [13, 14]. Для разработки практических рекомендаций по применению ОСВ в условиях орошения, в т. ч. в целях оптимизации процессов эвапотранспирации и регламента поливов культур, необходимо проведение комплексной оценки эффективности и экологичности действия ОСВ на компоненты агроценозов.

Цель исследования — оценка влияния доз внесения ОСВ на продуктивность использования оросительной воды в агроценозах картофеля и сои, на их урожай, а также индекс загрязнения почвы и семенной продукции.

Материалы и методы исследования

Опыты с картофелем (Жуковский ранний) и соей (ВНИИОЗ 31) при их ротации проводили в условиях Нижнего Поволжья на экспериментальном стационаре ВНИИОЗ по методикам Б.А. Доспехова ^[1] и В.Н. Плешаков а^[2]. Варианты размещали систематически в 3-кратной повторности (рис. 1). Площадь делянки составляла 140 м² (2,8 × 50), учетной 56 м² (1,4 × 40). ОСВ в дозах 20, 40 и 60 (ОСВ₂₀, ОСВ₄₀, ОСВ₆₀) т/га вносили поверхностно, вразброс после отвальной вспашки.

Рис. 1. Схема вегетационного опыта: С — сорт картофеля, сорт сои, К — контроль; В1, В2, В3 — варианты внесения ОСВ; П1, П2, П3 — повторности
Источник: сделано авторами
Fig. 1. Scheme of the pot experiment: C — potato/soybean cultivar; K — control; B1, B2, B3 — variants for application of WWS; П1, П2, П3 — replicates
Source: made by authors

На варианте без использования ОСВ (контроль) под планируемую урожайность картофеля 20 т/га и сои 2,5 т/га вносили минеральные удобрения соответственно в дозах N₈₀P₄₀K₉₀ и N₇₅P₅₀K₃₅ кг д. в./га, рассчитанных по методике В.И. Фили на^[3].

Картофель высаживали по предварительно нарезанным гребням с междурядьями 0,75 м нормой 40 тыс. шт./га во II декаде июля, сою высевали с междурядьями 0,7 м нормой 600 тыс. шт./га во II декаде мая.

Предполивной порог влажности почвы в расчетном (активном) слое 0,0…0,6 м поддерживали не ниже 80 % НВ поливами дождеванием [15, 16]. Поливную норму рассчитывали по формуле А.Н. Костякова, а суммарное водопотребление культур — методом водного бала нса^[4]. Продуктивность использования оросительной воды оценивали по ее затратам на производство тонны урожая K_M и коэффициенту водопотребления растений K_E, м³/т:

${{K_M = M/Y}}$,

где M — оросительная норма, м³/га; E — суммарное водопотребление, м³/га; Y — урожайность культуры, т/га.

Влажность почвы определяли прибором Aquaterr М-350 до посадки (посева), в фазы созревания клубней картофеля и полной спелости зерна сои в слое 0,0…1,0 м, в период вегетации культур в слое 0,0…0,6 м. Замеры влажности почвы проводили на постоянно закрепленных динамических площадках (5 м²) послойно через 0,1 м в 3-кратной повторности не реже одного раза в декаду, а также перед проведением полива и через 2 дня после полива (Р оде)^[5].

Почвы на экспериментальном стационаре светло- каштановые тяжелосуглинистые, в пахотном слое 0,22…0,24 м содержат около 2,0 % гумуса, 37…48 мг/ кг доступных форм азота, 60…75 мг/кг фосфора, 265…290 мг/кг калия. В слое 0,0…0,6 м плотность 1,34 т/м³, наименьшая влагоемкость 22,7 % м. с. п. Грунтовые воды в водообмене активного слоя не участвуют.

Для назначения сроков поливов и определения суммарного водопотребления картофеля и сои проводили учет и анализ метеоусловий (метеостанция г. Волгограда; табл. 1). Обеспеченность периода вегетации культур естественным теплом и влагой оценивали по гидротермическому коэффициенту ГТК (Селян инов)^[6].

Таблица 1. Метеоусловия вегетации культур*

*Над чертой — для картофеля (2019 г.), под чертой — сои (2020 г.).

Table 1 Meteorological vegetation conditions of crops*

*Above the line — potatoes (2019), below the line — soybeans (2020).

Обеспеченность теплом посадок картофеля и посевов сои была близкой к среднемноголетним значениям, суммы активных температур было достаточно до полного вызревания. В 2019 г. с мая по август практически ежедневно максимальные температуры воздуха достигали 32,4…37,3 °C, в 2020 г. с июня по август в отдельные дни температура поднималась до 33,2…40,0 °C. Высокие температуры при низкой относительной влажности оказывали термический стресс на растения.

Распределение осадков за вегетационные периоды картофеля и сои было более неравномерным, 146,2 мм в 2019 г. и 108,1 мм в 2020 г. или соответственно 92 и 68 % от среднемноголетнего значения. Июль (2019 г.) и май (2020 г.) были влажными, выпало более двух норм осадков, но высокая интенсивность дождей образовывала ливневые стоки и не приводила к существенному накоплению почвой продуктивной влаги. Август (2019 г.), июль и сентябрь (2020 г.) были практически без осадков с суховеями. В целом периоды вегетации растений можно охарактеризовать как сухие с ГТК не более 0,39.

Индекс загрязнения почвы ИЗП (МУ 2.1.7.730–99) рассчитывали по формуле

${{ ИЗП = \sum_{i=1}^n \frac{C_i}{C_{fi}} - (n-1)}}$,

где Ci — фактическое содержание i-го вещества в почве, мг/кг; C_fi — фоновое содержание i-го вещества в почве, мг/кг; n — количество определяемых веществ (Cd, Pb, Zn, Cu).

Для качественной характеристики клубней картофеля проводили лабораторные исследования на содержание в них тяжелых металлов (Cd, Pb, Zn, Cu), крахмала, сухого вещества и нитратов.

Результаты исследования и обсуждение

Проведение оросительных мелиораций в комплексе с другими видами мелиорации земель сельскохозяйственного использования является одним из важнейших факторов реализации биологической продуктивности культур и устойчивости производства продовольствия в условиях засушливого климата Нижнего Поволжья [17, 18].

С учетом запасов влаги в почве перед посадкой и посевом культур (табл. 2) и календарных сроков окончания их вегетации рассчитали поливные нормы и суммарное водопотребление растений (табл. 3). Так фаза созревания клубней картофеля наступила во II декаде сентября, а фаза полной спелости зерна сои — в I декаде сентября. Вегетационный период картофеля продолжался в течение 62 суток при сумме среднесуточных температур воздуха приблизительно равной 1340 °C, а сои — 119 суток при сумме среднесуточных температур воздуха около 2660 °C.

Таблица 2. Запасы продуктивной влаги в расчетном слое почве 0,6 м*

*Над чертой — % НВ, под чертой — в м³/га.

Table 2. Productive moisture reserves in 0.6 m soil layer*

*Above the line — % FC, below the line —m³·ha^-1.

Таблица 3. Структура суммарного водопотребления культур*

*Над чертой — картофеля (2019 г.), под чертой — сои (2020 г.)

Table 3. The structure of the total water consumption of crops*

*Above the line — potatoes (2019), below the line — soybeans (2020).

Период от посадки до первого полива картофеля составил 7 суток на контроле, 9, 11 и 13 суток на вариантах ОСВ₂₀, ОСВ₄₀ и ОСВ₆₀ соответственно. В структуре суммарного водопотребления картофеля доля оросительной воды составила от 76,8 (2590 м³/га на контроле) до 71,2 % (1850 м³/га на варианте ОСВ₆₀), доля атмосферных осадков — от 12,3 до 16,0 %, а доля почвенной влаги — от 10,9 (368 м³/га) до 12,8 % (332 м³/га) соответственно. Вегетационных поливов проведено: 7 на контроле при межполивном периоде 6…8 суток, 7 на варианте с ОСВ₂₀ при межполивном периоде 7…10 суток, 6 на варианте ОСВ₄₀ и 5 на варианте ОСВ₆₀ при межполивных периодах соответственно 8…12 и 10…13 суток. Суммарное водопотребление составило от 3374 до 2598 м³/га, а среднесуточное — 54,4…41,9 м³/га.

На посевах сои без внесения ОСВ первый полив произвели через 20 суток, на вариантах ОСВ₂₀, ОСВ₄₀ и ОСВ₆₀ — через 23, 26 и 28 суток соответственно. Оросительная норма на посевах сои была значительно выше, чем на посадках картофеля (2960…3700 против 1850…2590 м³/га), что обусловлено физиологией растений, разными сроками вегетации и наступления межфазных периодов «нарастающего» и «затухающего» водопотребления.

В структуре суммарного водопотребления сои на контроле и на варианте ОСВ₆₀ доля оросительной воды составила 81,4 и 79,8 %, доля атмосферных осадков — 12,5 и 15,3 %, а доля почвенной влаги — 6,1 и 4,9 % соответственно. Вегетационных поливов проведено: 10 на контроле при межполивном периоде 6…10 суток, 10 на варианте с ОСВ₂₀ при межполивном периоде 7…11 суток, 9 на варианте ОСВ₄₀ и 8 на варианте ОСВ₆₀ при межполивных периодах соответственно 8…13 и 9…14 суток. Суммарное водопотребление составило от 4548 до 3711 м³/га, а среднесуточное — 38,2…31,2 м³/га.

Степень загрязнения почвы валовыми формами тяжелых металлов определяли путем сравнения с предельно допустимой концентрацией (ПДК) и ориентировочно допустимой концентрацией (ОДК) соответствующего элемента или его фоновым содержанием, а также индексом загрязнения (ИЗП). Анализ результатов (рис. 2) показывает, что все наблюдаемые элементы в пахотном слое почвы не превышают ПДК и ОДК. ИЗП варьирует от 2,54 ед. на варианте ОСВ₂₀ до 4,04 ед. на варианте ОСВ₆₀. При ИЗП < 16 почва относится к категории с допустимым загрязнением (МУ 2.1.7.730–99).

Рис. 2. Содержание валовых форм тяжелых металлов в пахотном слое почвы  на посадках картофеля, мг/кг
Источник: сделано авторами
Fig. 2. Content of gross forms of heavy metals in the arable soil layer of potato crops, mg·kg^-1
Source: made by authors

Химический состав растений отражает элементный состав почвы, чем и обусловлено некоторое наличие тяжелых металлов в клубнях картофеля (рис. 3). Тем не менее, оценивая полученный урожай (рис. 4) по содержанию крахмала, сухого вещества и нитратов, клубни картофеля можно отнести к качественной продукции, а по тяжелым металлам — к «чистой» и «условно годной» (СанПиН 2.3.2.1078–01). Учитывая семенную направленность производства картофеля, наличие тяжелых металлов в пределах от ПДК до 2 ПДК нивелируется в дальнейшем при выращивании товарной продукции.

Рис. 3. Содержание тяжелых металлов в клубнях картофеля, мг/кг
Источник: сделано авторами
Fig. 3. Contents of heavy metals in potato tubers, mg·kg^-1
Source: made by authors

Рис. 4. Оценка качества клубней картофеля
Источник: сделано авторами
Fig. 4. Assessment of potato tubers quality
Source: made by authors

Вследствие низких показателей загрязнения почвы и клубней картофеля валовыми формами тяжелых металлов и нитратами на посевах сои определение ИЗП и качества зерна не проводили.

Оценка продуктивности использования воды растениями с учетом сформированного урожая по вариантам опыта приведена в табл. 4.

Таблица 4. Эффективность использования оросительной воды

Table 4. Irrigation water use efficiency

Согласно результатам статистической обработки данных все различия существенны и значимы. Урожайность клубней картофеля на вариантах ОСВ₂₀, ОСВ₄₀ и ОСВ₆₀ превышает контроль соответственно на 1,1, 2,9 и 4,6 т/га (НСР₀₅ = 0,74 т/га) или на 5,3, 13,9 и 22,1 %. Затраты оросительной воды на получение тонны продукции и коэффициент водопотребления растениями картофеля на контроле составили 124,5 и 162,2 м³/т против 118,3 и 72,8; 145,1 и 102,3 м³/т по вариантам ОСВ₂₀, ОСВ₄₀ и ОСВ₆₀, что соответствовало экономии водных ресурсов от 5 до 41,5 и от 10,5 до 36,9 %.

Подобная «картина» сложилась и на посевах сои. Урожай зерна по вариантам опыта ОСВ₂₀, ОСВ₄₀ и ОСВ₆₀ изменялся от 3,05 до 3,34 т/га при затратах оросительной воды от 1213,1 до 886,2 м³/т, что составило прибавку к контролю от 7,01 до 17,2 % и экономию воды на формирование тонны зерна от 85,1 до 412 м³. При этом коэффициент водопотребления от контрольного варианта составил от 88,8 до 69,6 %.

Заключение

В опытах с возделыванием картофеля и сои в условиях орошения установлено, что внесение в почву осадка сточных вод в дозах от 20 до 60 т/га позволяет к началу вегетационного периода дополнительно накопить продуктивной влаги в слое 0,6 м от 38 до 116 м³/га и таким образом более эффективно использовать оросительную воду на получение урожая, что подтверждает влагосорбирующие и водоудерживающие свойства ОСВ. Доказано: удобрительное действие и последействие ОСВ в указанных дозах обеспечивает к контролю прибавку урожая на уровне 5,3…22,1 % по картофелю и 7,01…17,2 % по сое, снижение коэффициента водопотребления на уровне 89,5…63,1 и 88,8…69,6 % соответственно. При этом обеспечивается высокое качество семенной продукции и допустимый индекс загрязнения почвы.

 

¹ Доспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследования). М.: Агропромиздат, 1985. 351 с.

² Плешаков В.Н. Методика полевого опыта в условиях орошения. Волгоград, 1983. 150 с.

³ Филин В.И. Справочная книга по растениеводству с основами программирования урожая. Волгоград, 1994. 266 с.

⁴ Костяков А.Н. Основы мелиораций. М.: Сельхозгиз, 1960. 616 с.

⁵ Роде А.А. Методы изучения водного режима почв. М.: Изд-во Академии наук СССР, 1960. 243 с.

⁶ Селянинов Г.Т. Методика сельскохозяйственной характеристики климата // Мировой агроклиматический справочник. Л.: Гидрометеоиздат, 1937. С. 5–27.

Об авторах

Андрей Евгеньевич Новиков

ВНИИОЗ - филиал ФГБНУ «ФНЦ ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова»; Волгоградский государственный технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: ae_novikov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8051-4786

доктор технических наук, член-корреспондент РАН, директор, ВНИИОЗ - филиал ФГБНУ «ФНЦ ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова»; заведующий кафедрой процессов и аппаратов химических и пищевых производств, Волгоградский государственный технический университет

Российская Федерация, 400002, г. Волгоград, ул. им. Тимирязева, д. 9;Российская Федерация, 400005, г. Волгоград, пр. им. Ленина, д. 28

Антон Александрович Поддубский

Российский университет дружбы народов

Email: poddubskiy-aa@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0001-9796-2924

кандидат технических наук, директор, агроинженерный департамент, агротехнологический институт

Российская Федерация, 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Алексей Андреевич Новиков

ВНИИОЗ - филиал ФГБНУ «ФНЦ ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова»

Email: alexeynovikov@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0002-7698-8268

- доктор сельскохозяйственных наук, заместитель директора по научной работе

Российская Федерация, 400002, г. Волгоград, ул. им. Тимирязева, д. 9

Роман Валентинович Збукарев

ВНИИОЗ - филиал ФГБНУ «ФНЦ ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова»

Email: zbukarevr@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9237-547X

лаборант-исследователь

Российская Федерация, 400002, г. Волгоград, ул. им. Тимирязева, д. 9

Наталья Владимировна Богомолова

Российский университет дружбы народов

Email: bogomolova-nv@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0002-0741-392X

ассистент, агроинженерный департамент, агротехнологический институт

Российская Федерация, 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Список литературы

Дополнительные файлы