СТАТЬИ
БАЛАНС АЗОТА УДОБРЕНИЙ В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ
д.с.-х.н. В. Безносиков
Научные интересы: биологическая продуктивность, экология почв, циклы азота и углерода Многолетние исследования азотного цикла пахотных подзолистых суглинистых почв с использованием метода изотопной индикации позволили оценить экологические особенности поведения азота, определить направленность процессов трансформации и рассчитать баланс азота в системе почва-растение. Миграция азота удобрений. Вымывание 15N из корнеобитаемого слоя почвы в годичном цикле незначительно и не оказывает существенного влияния на баланс азота удобрений. Основное количество меченого азота удобрений сосредотачивается в верхнем (0-40 см) слое почвы с преимущественным содержанием его в Апах. Максимальное вымывание азота удобрений по профилю почвы отмечено в поч-ве под паром – до глубины 60 см (4/3-8.8 кг/га), ниже по профилю азота не обнаружено. Внесение азотных удобрений даже с осени на суглинистые подзолистые почвы не приводит к значительным потерям азота за счет выщелачивания атмосферными осадками из корнеобитаемого слоя. Подтверждением является круглогодичный учет лизиметрических вод. Установлено, что фильтрация осадков за пределы 0-50 см толщи была невысокой: за осенний период – 8.5, весенний – 2.5 % и соответственно из пахотного слоя (0-20 см) – 31.0 и 35.0 % годового их количества. Инфильтрация влаги в среднем за год за пределы пахотного слоя составила 23.0, подпахотного – 4.5 %, что определяет низкую миграцию азота удобрений в пределах почвенного профиля. В настоящее время накоплен обширный материал о нисходящей миграции продуктов почвообразования в условиях региона, однако данные об их восходящем перемещении отсутствуют. Вместе с тем, именно с восходящей миграцией влаги и переносимыми с ней подвижными веществами связывают генетические особенности почв, развивающихся в условиях длительного сезонного промерзания. Исследования показали, что под действием криогенных процессов происходит концентрирование азота удобрений на границе холодного экрана – мерзлого слоя, за счет термокапиллярного передвижения влаги и растворенного в ней азота. Стабилизация зоны промерзания в феврале-марте приводила к ослаблению поднятия азота удобрений за счет криогенных процессов. Сохранившаяся мерзлотная прослойка весной на глубине 21(24)-31(34) см является водоупором, где все поры и трещины были закупорены льдом, а влажность почвы превышала полную влагоемкость, что уменьшало теплообмен между горизонтами (Апах, В1) и обусловливало задержку оттаивания почвы, приводило к образованию верховодки и снижало вертикальную миграцию азота. Полное оттаивание почвы не совпадало с интенсивным снеготаянием. Мерзлотная прослойка как концентрировала азот в осенне-зимний период, так и являлась водоупором, по которому верховодка вместе с растворенным азотом передвигались латерально. Незначительная нисходящая миграция азота удобрений также обусловлена генетическими особенностями профиля подзолистых суглинистых почв: наличием кислого иллювиального горизонта с максимальной аккумуляцией оксидов железа и алюминия, которые имеют изоэлектрическую точку соответственно 8.1 и 7.1. Это обусловливает образование положительно заряженных сорбционных центров, что приводит к адсорбции нитрат-ионов, величина которых достигает в В1 (рНКСl 3.6) 0.25 мг N/100 г почвы. Следует отметить, что прочность связи адсорбированных почвой нитратов в В1 значительно выше, чем в Апах. Это подтверждает количественное соотношение адсорбированных и подвижных ионов (В1 – 5.0/5.25 и Апах – 2.17/5.36). Иллювиальный горизонт обладает плотным сложением, малой трещиноватостью, высоким содержанием ила и низкой фильтрацией (менее 0.1 м/сут). К тому же незначительное перемещение нитрат-ионов можно объяснить явлением "отсеивания солей", поскольку суглинистые почвы с узкими порами действуют как полупроницаемые мембраны, пропуская воду легче, чем соль. Таким образом, иллювиальный горизонт является адсорбционным барьером, сдерживающим миграцию нитратного азота. Горизонтальная миграция азота удобрений в подзолистых суглинистых почвах связана с особенностями внутрипочвенного стока, поскольку во время весеннего снеготаяния и сильных дождей в летний период происходит насыщение верхних слоев почв. Этот временный водонасыщенный горизонт сдерживает передвижение влаги вниз по профилю. Основное количество влаги в почвах передвигается с боковым стоком, что приводит к латеральному смыву азота, величина которого достигает 15-20 % от внесенного азота на делянку (см. рисунок). Равномерное выпадение осадков в пределах годовой нормы незначительно влияет на горизонтальное перераспределение влаги по катене. Разница влажности почвы в разных точках склона и в разные сроки колебалась не более чем на 2-3 %. При этом вынос азота с верхней части склона был незначительным, азот удобрений в почве под растениями обнаружен на расстоянии 50 см, в пару – в 100 см от места внесения. Интенсивное выпадение осадков приводит к переувлажнению пахотного слоя и перераспределению влаги и азота по плотному слабоводопроницаемому иллювиальному горизонту склона. Азот удобрений под растениями обнаружен на расстоянии 200 см от места внесения, в почве под парами – 400 см. Не исключена возможность смыва азота на большее расстояние от места внесения (за пределами 400 см от делянки азот не определяли). Следовательно, в годы с избыточным увлажнением перераспределение влаги и азота по катенам открытого типа (трансэлювиальные процессы) частично исключает азот из биологического круговорота в агроценозах и приводит к опасности загрязнения окружающей среды. Латеральное передвижение азота с поверхностным стоком по катенам закрытого типа (элювиально-аккумулятивные процессы) создает геохимическую неоднородность агроландшафтов по азоту. Микрополевые опыты показали, что на делянках с внесением удобрений растения усваивали азота 6536-6939 мг/м2, при этом на долю азота удобрений приходилось 48.9-52.1 % (см. табл.). На дополнительных делянках, примыкающих к месту внесения, вынос общего азота оказался в 1.5-1.6 раза меньше. По мере удаления от основной делянки резко возрастает роль почвенного азота в формировании урожая. Внесение азотных удобрений вызывает увеличение подвижности почвенного азота, что приводит к дополнительному использованию его растениями (экстра-азот). На делянках с непосредственным внесением азотных удобрений величина "экстра-азота" составила 923 мг/м2 по Nа и 1539 мг.м-2 по Nскц(Nc). Дополнительное использование азота почвы растениями снижается по склону и находится в тесной зависимости от количества азота удобрений, подверженных смыву. Корреляционный анализ показывает высокую степень сопряженности (r = 0.88-0.96) количества аккумулированного азота удобрений по склону и величины «экстра-азота». Миграция азота по микрокатене приводит к увеличению урожайности на дополнительных делянках. Влияние смыва азота на урожайность зеленой массы овса прослеживали на расстоянии 100 см, где прибавка была достоверной, на более удаленных делянках увеличения урожая по сравнению с фоном не наблюдали. Адсорбция нитратов. Известно, что чернозем может адсорбировать (небиологическое поглощение) нитратный азот (3.0-3.5 мг /100 г почвы) и что этот процесс связан с явлением коллоидного поглощения. Установлена прямая зависимость почвенной адсорб-ции нитратов от концентрации раствора, его кислотности и содержания в почве полуторных оксидов. Наши исследования с применением метода меченых атомов (15N) показали, что пахотный слой обладает наибольшей адсорбционной способностью к нитратному азоту. Содержание адсорбированного нитратного азота в горизонтах Апах и В1 превышает сумму свободного и подвижного азота. Количество нитратного азота различной подвижности в подзолистых почвах характеризуют следующие величины в Апах: свободный – 0.42, подвижный – 0.17, адсорбированный азот – 0.91, в В1: соответственно 0.05, 0.04, 0.25 мг/100 г почвы. На величину почвенной адсорбции нитратов оказывает влияние кислотность вносимых удобрений. В модельных лабораторных опытах нитрат кальция, забуференный до рН 4.1, 5.9, 7.9, изменяет в почвах количество и соотношение нитратов с различной степенью подвижности. Подкисление раствора Nскц увеличивает сорбционные свойства почв, подщелачивание ослабляет адсорбцию нитратов. Величина адсорбции нитратов была разной для разных генетических горизонтов почвы и зависела от температурного режима в период компостирования почвы. По-следний факт, по-видимому, объясняется усилением процессов минерализации и деструкции органического вещества под действием криогенного обезвоживания и разрыва микробных тканей, а так как азот в микробных клетках относится к основным элементам, то оттаявшие микробные тела подвергаются автолизу с высвобождением азота. Нитратная адсорбционная способность подзолистых почв является одним из факторов, сдерживающих вымывание нитрат-ионов. Внесение нитрата кальция в почву и компостирование (при t = 21 ± 2 °С) приводят к увеличению адсорбции нитратов. Промораживание (при t = –3.5 ± 0.5 °С) уменьшает сорбционные свойства почвы и обусловливает накопление свободных форм азота. Данный процесс имеет не только биотический, но и абиотический характер. Симбиотическая фиксация азота бобовыми культурами. Азотфиксация бобовыми культурами определена с применением метода меченых атомов (15N). Установлено, что в азотном балансе бобовых культур азот удобрений занимает незначительную часть и составляет для клевера 2-4 %, гороха – 3 % общего его содержания в растениях. Клевер, по сравнению с горохом, характеризует более высокая способность к фиксации азота. Биомасса клевера накапливает 107.9, гороха – 66.0 кг атмосферного азота/га. Наибольшая симбиотическая азотфиксация выявлена на второй-третий годы использования клевера. В условиях подзолистых почв, характеризующихся низким плодородием и незначительным накоплением минерального азота, удобрения, внесенные в дозе N30, практически не изменяли продуктивность бобовых культур и азотфиксацию. Так, биологическая урожайность клевера в среднем за три года пользования составила фосфорно-калийному фону – 81.0, а при внесении азотно-фосфорно-калийных туков – 88.0, гороха соответственно 47.8 и 50.2 ц сухого вещества/га). Коэффициенты азотфиксации составили: у клевера – 66, гороха – 53 %. Биологический урожай клевера содержал на 35.8-81.0, а горох на 7.4 кг/га больше фиксированного азота из атмосферы, чем вынос растениями азота из почвы и удобрений. Минерализация-иммобилизация. Эксперимент с применением метода меченых атомов (15N) показал, что в условиях подзолистых почв происходит смещение составляющей азотного цикла – минерализации-иммобилизации – в сторону процессов минерализации. Преимущественное развитие этого процесса приводит к снижению запасов и созданию дефицита азота в поч-вах. Общая минерализация азота на фоне полного минерального удобрения в среднеокультуренной почве выше (9.0±0.7 мг N/100 г почвы), чем в слабоокультуренной (5.1±0.5 мг N/100 г почвы). В расходной статье минерализуемого азота большую часть занимает нетто-минерализация. Этот показатель, как и содержание общего минерализуемого азота, уменьшается от 7.7±0.6 в среднеокультуренной до 3.5±0.4 мг N/100 г в слабоокультуренной почвах. В структуре минерализуемого азота почвы доступный для растений азот составляет в средне- и слабоокультуренной почвах соответственно 43 и 33 %. При этом накопление доступного растениям азота не в полной мере характеризовало азотминерализующую способность подзолистых почв разной степени окультуренности, так как часть азота вторично закреплялась почвой (1.6±0.4–2.4±0.6 мг N/100 г), а также терялась вследствие денитрификации (1.8±0.4–3.4±0.7 мг N/100 г). Коэффициенты использования и баланс азота удобрений. Коэффициенты использования азота удобрений на выровненных участках в первые три года составили на средне- и слабо-окультуренных почвах соответственно 28-31 и 23-29 %. Систематическое внесение азотных удобрений повышает коэффициенты использования до 34-36 %, на слабоокультуренных почвах эти показатели были на 2-8 % ниже по сравнению со среднеокультуренными аналогами. При расчете баланса азота удобрений на склоновых почвах установлено, что на образование биомассы урожая растения расходуют 30.8-31.0 % внесенного азота. Из этого количества 28.2-28.4 % используется на месте внесения, а 2.4-2.8 % – на микрокатене. В почве и пожнивно-корневой массе остается 48.3-55.1 % азота, из них на месте внесения – 37.6-38.6 %, ниже (40 см) – 2.6-4.7 % и на микрокатене – 10.7-16.5 %. Потери азота удобрений под растениями составили 14.1 % в варианте с Nа и 20.8 % – с Nскц(Nс). В пару они резко возрастали и достигали 38.0-43.0 %, при этом 3.1-5.1 % внесенного азота мигрировало ниже 40-сантиметрового слоя почвы, а 14.5-15.8 % смывало поверхностным стоком. Потребление растениями азота почвы зависело от количества вносимых удобрений. Так, в опытах с овсом и райграсом при дозах 60 кг/га на долю азота среднеокультуренной почвы приходилось 76-78 %. Повышение нормы азотных удобрений до 120 кг/га уменьшало относительное количество поч-венного азота в общем выносе до 69-70 % и повышало вынос азота туков на 7-8 %. Однако следует отметить, что коэффициенты использования внесенного удобрения в интервале доз от 60 до 120 кг/га изменялись незначительно. Экспериментальные данные, полученные с помощью изотопного метода (15N), позволили определить вклад азота почвы и удобрений в питание растений. Данные о выносе азота биомассой свидетельствуют, что основная часть азотного фонда растений представлена азотом почвы. Эта величина составила для слабо- и среднеокультуренных почв соответственно 50±1 и 71±3 %. Внесение азотных удобрений приводит к дополнительному использованию растениями азота почвы. В азотном пуле растений до 1/3 приходится на долю "экстра-азота". Результаты исследований показали, что дополнительное использование азота подзолистых почв определяется степенью окультуренности. Азотные удобрения способствуют высвобождению почвенного азота на слабо- и среднеокультуренных почвах соответственно от 9 до 13 и от 19 до 39 кг/га. С увеличением доз внесения азотных удобрений возрастала величина "экстра-азота". Поэтому избыточное внесение азотных удобрений на подзолистых почвах, характеризующихся низкой буферностью, приводит к отрицательному их воздействию на почвенную биоту, снижению механизма самовосстановления почвенных процессов, нарушению их нормального естественного функционирования, уменьшению азота в почве. Полученные данные о потреблении растениями азота почвы и удобрений, количественному их соотношению в структуре азотного фонда растений целесообразно использовать для нормирования доз азотных удобрений при планировании урожая. На подзолистых старопахотных среднеокультуренных суглинистых почвах при обеспечении (5-10 мг N/100 г) легкогидролизуемым азотом (по Тюрину) предполагается компенсировать за счет удобрений 28-31 % планируемого выноса азота с урожаем, на слабоокультуренных – при низкой обеспеченности азотом (до 5 мг N/100 г) – 49-52 %. Следовательно, азотные удобрения на подзолистых почвах с низкой емкостью биологического круговорота становятся мощным биогеохимическим фактором. Это обусловлено тем, что азот в этих почвах находится в первом минимуме и его дефицит, наряду с недостаточной и неустойчивой теплообеспеченностью, снижает продуктивность северных агроценозов. При этом избыток азотных удобрений приводит к усилению минерализации природных запасов органических азотистых соединений, к деструкции почв, ослаблению механизмов самовосстановления почвенных процессов. Биоклиматические условия и рельеф агроландшафтов зоны определяют особенности азотного цикла в пахотных подзолистых почвах: незначительное вымывание его из пахотного слоя, высокие газообразные потери, особенно в пару, низкие коэффициенты использования азота удобрений растениями. При функционировании агроценозов на склонах важным компонентом цикла азота (расходной части его баланса) является сравнительно высокий латеральный вынос с поверхностным стоком.
Логотип -
Начало -
Общие
сведения -
Структура -
Научная деятельность 3837 посещений с 03.08.2002 |