Агрохимия, 2020, № 6, стр. 33-40

ВВЕДЕНИЕ

Содержание азота и его доступных форм является важнейшим показателем плодородия почв. Криоаридные условия функционирования сухих степей Забайкалья формируют почвы с укороченным профилем и низким содержанием гумуса. В соответствии с этим, в пахотном горизонте каштановых почв содержится незначительное количество общего и минерального азота. Недостаток наиболее подвижной формы – нитратного азота – является основным агрохимическим фактором, лимитирующим продуктивность полевых культур в сухостепной зоне Бурятии. Между тем, применение минеральных и органических удобрений в аридных условиях не гарантирует высокой обеспеченности растений азотным питанием [1–3].

В каштановых почвах доминируют актиномицеты при очень низком содержании грибов и бактерий, что свидетельствует о ксерофитном характере микробоценоза [4–6]. В оптимальных условиях увлажнения и температур проявляется высокая энергия аммонификационных и нитрификационных процессов [6, 7]. Однако в полевых условиях, при неблагоприятном увлажнении их интенсивность значительно сокращается в соответствии с численностью микроорганизмов. Например, в условиях типичной засухи численность аммонификаторов снижается от десятков миллионов до тысяч, а нитрификаторов – от сотен до следов в 1 г почвы [6]. Подобное обусловлено тем, что аммонификаторы в большей степени адаптированы к жесткому гидротермическому режиму сухой степи. Вследствие низкого содержания органического вещества и короткого периода микробиологической активности в каштановых почвах Бурятии накапливается малое количество нитратного азота. Основным агротехническим приемом повышения плодородия почв является применение минеральных и органических удобрений. В краткосрочных полевых опытах [8] при определении эффективных форм азотных удобрений и способов их внесения установлено, что наибольшей нитрификации подвергаются водный аммиак, мочевина и более медленно – сульфат аммония, а азот удобрений, внесенный под зяблевую вспашку, сохраняется до весны без существенных потерь. В многолетнем агрохимическом опыте [9] определены темпы накопления нитратного азота в паровом поле, динамика его содержания под культурами севооборота. Доказано, что запасы нитратов осенью в почве находятся в обратной зависимости от урожайности культур; установлено увеличение содержания нитратного азота при внесении удобрений как в верхних (0–40 см), так и в нижних (60–100 см) слоях почвенного профиля, свидетельствующее о нисходящей миграции при выпадении обильных осадков; выявлена тесная связь прибавки урожаев при внесении азотных удобрений с количеством нитратов в верхних горизонтах почвы. Между тем, научные исследования нитратного режима каштановых почв, проведенные в полевых опытах, представлены в незначительном количестве, и в целом они основаны на материалах 1960–1990 гг. прошлого века. В современных условиях, при усилении аридизации климата сухих степей подвергается изменениям весь блок климатических, почвенных и биологических условий функционирования агроценозов, где проявляются иные аспекты нитратного режима каштановых почв. Характеристика нитратного пула каштановых почв и определение закономерностей его изменения при внесении удобрений является целевой установкой наших исследований. Многолетние данные позволяют не только статистически обобщить показатели нитратного режима, но и оценить влияние различных факторов на его динамику.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Изучение нитратного режима каштановой почвы проводили в вегетационно-полевом (2000–2002 гг.) и длительном полевом агрохимическом (1996–2019 гг.) опытах БурНИИСХ, заложенных в богарных условиях в центральной сухостепной зоне Бурятии. В вегетационно-полевом опыте изучали динамику содержания нитратов под культурами севооборота пар–пшеница–ячмень–овес в вариантах контроль и N60P40К40. Удобрения вносили в сосуды без дна, площадью 0.09 м² в слой 0–20 см почвы перед посевом культур, повторность в опыте восьмикратная [10]. В длительном стационарном опыте под культурами зернопарового севооборота (пар–яровая пшеница–овес–овес на зеленую массу) – в контрольном (без удобрений) и в вариантах с внесением полного минерального (N40P40К40) и органического (навоз 40 т/га) удобрений определяли влияние факторов среды на накопление стартовых запасов нитратного азота ко времени посева в различных слоях почвы. Органические удобрения вносили в паровое поле, минеральные (N_aa, Р_сд, K_х) – под культуры севооборота. Агротехнологические операции по возделыванию культур выполняли в соответствии с рекомендованной зональной системой земледелия. Посев первой культуры – пшеницы после пара проводили в 1-й декаде мая, овса после пшеницы – во 2-й декаде мая, овса на зеленую массу – во 2-й декаде июня. Повторность в опыте четырехкратная, размещение вариантов – систематическое, учетная площадь делянок – 100 м². В опытах высевали районированные сорта: пшеницы – Селенга, овса – Гэсэр, ячменя – Наран.

Для изучения особенностей морфологического строения почвы на территории опытного участка был заложен почвенный разрез с координатами N 51°43′45.20″; Е 107°14′51.75″. Изученная почва отнесена к стволу постлитогенных почв, отделу светлогумусовых аккумулятивно-карбонатных, типу каштановые. Она характеризуется наличием светлогумусового горизонта AJ, мощностью 24 см, ниже которого залегает ксерометаморфический горизонт BMK (24–40 см). На глубине 40–70 см залегает текстурно-карбонатный горизонт CAT, бурно вскипающий от соляной кислоты. Ниже размещается супесчаная с прослойками мелкого щебня почвообразующая порода С_Са. Ведущими почвенными процессами при формировании почвы является аккумуляция и трансформация светлогумусовых соединений и педогенная мобилизация карбонатов [11]. Пахотный горизонт – супесчаный бесструктурный либо слабооструктурен, с малым диапазоном активной влаги, обладает высокой водопроницаемостью и слабой водоудерживающей способностью. Почвенный профиль практически однообразен по гранулометрическому составу и представлен супесями с преобладанием крупно-, средне- и мелкопесчаных фракций. Агрофизические свойства почвы неблагоприятные (табл. 1). Почвы значительно уплотнены, плотность сложения и твердой фазы почвы увеличивалась с глубиной.

Почва – старопахотная, агрохимический опыт на данном участке был заложен в 1967 г. и продолжается в настоящее время. В результате длительного применения удобрений изменился и агрохимический статус почвы (табл. 2). Пахотный слой характеризуется реакцией среды, близкой к нейтральной, низким содержанием гумуса и общего азота. Содержание подвижного фосфора изменялось в вариантах опыта от высокого в контроле до очень высокого в удобренных вариантах; калия – от среднего в контроле, до повышенного при применении N40P40К40 и высокого в варианте применения органических удобрений.

Метеорологические условия периода исследований соответствовали тренду аридизации территории [12]. Характеристика засушливости идентифицировалась по классификации, описанной в работе [13], в качестве определяющего климат показателя выбран ГТК (по Селянинову) за май–август. За исследованный период с 1996 по 2019 г. 9 лет отмечали сильные засухи с ГТК = 0.3–0.6, 5 лет – умеренные засухи с ГТК = 0.6–0.8 (1996, 2000, 2002, 2005, 2009 гг.), 3 года – слабые засухи с ГТК = 0.8–1.0 и 7 лет – обеспеченного увлажнения с ГТК = 1.0–1.3. В среднем, по нашим многолетним данным, в условиях сухой степи Бурятии относительно благоприятные условия для накопления нитратов в почве наблюдались в короткий период со второй декады июля по вторую декаду августа (рис. 1).

Рис. 1.

Метеорологические условия в период проведения исследования (по данным Иволгинской АМС).

Влажность почвы зависела не только от метеорологических факторов, но и размещения культур в зернопаровом севообороте. По мере удаления от парового поля снижалось содержание продуктивной влаги в почве (табл. 3). Отметим, что под первой культурой – пшеницей после пара содержание продуктивной влаги относительно других полей было не только больше, но и более стабильным.

Отбор почвенных образцов для определения содержания нитратов производили в длительном стационарном опыте перед посевом культур, в вегетационно-полевом опыте – в 3 срока: весной при посеве в 1-й декаде мая, летом в 3-й декаде июля, осенью в 3-й декаде сентября.

Агрофизические свойства почв определяли общепринятыми методами [14]. Агрохимические показатели определяли следующими методами: рН$_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$ – потенциометрическим, гумус – по Тюрину, общий азот – по Кьельдалю, нитратный азот – потенциометрическим, подвижные формы фосфора и калия – по Чирикову [15]. Результаты обрабатывали математико-статистическими методами по [16]. Тренды динамики показателей построены на основе метода наименьших квадратов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На территории Сибири в агрохимических опытах с полевыми культурами определено преимущественное потребление растениями нитратного азота. При наличии значительного количества обменного аммония в почвах растения ощущали дефицит азотного питания, и применение азотных удобрений обеспечивало значимую прибавку урожая [17–21]. Характеристика нитратного пула каштановых почв и закономерности его изменения представлены через описание различных показателей: динамики изменения его содержания в период весна–лето–осень, содержания нитратов перед посевом в зависимости от систематического внесения удобрений и распределения N-NО₃ в профиле почв.

Динамика изменения содержания нитратов под зерновыми культурами в течение вегетационного периода представлена по результатам вегетационно-полевого опыта (табл. 4). Содержание нитратного азота перед посевом в засушливых условиях 2000–2002 гг. оказалось очень низким не только в контроле (lim = 1.7–3.3 мг/кг), но и при внесении N60 в составе полного минерального удобрения (lim = 4.1–4.8 мг/кг). Динамика N-NО₃ в слое 0–20 см слое обусловлена преобладанием иммобилизации над нитрификацией. В связи с этим обеспечение азотным питанием растущих растений привело к снижению содержания нитратов практически до следов в летний период. К моменту достижения зерновыми культурами восковой спелости резко сокращались объемы азотного питания. В условиях сухой степи Бурятии это, как правило, происходило в 3-й декаде августа. В зависимости от сочетания метеорологических условий варьировала и нитрификационная активность почвы. При относительно влажной и теплой погоде (2000 г.) содержание нитратов существенно возрастало к моменту уборки, в более засушливых условиях отмечали либо стабилизацию на уровне середины лета, либо дальнейшее снижение их содержания (2001–2002 гг.). С момента уборки до весны следующего года содержание нитратов существенно не менялось. Запасы нитратов в целом за период наблюдений были в несколько раз меньше, чем содержание обменного аммония. Подобное было обусловлено преимущественным потреблением нитратной формы азота и очень низкой нитрификационной активностью почв в засушливый период, в целом сопутствующий исследованиям.

Стартовое содержание N-NО₃ в почве при посеве является диагностическим признаком обеспеченности растений азотным питанием [22–27]. Вид удобрения, удаленность культур во времени от парового поля оказали существенное влияние на содержание нитратного азота в пахотном и подпахотном слоях почвы. В зернопаровом севообороте пар–пшеница–овес–овес на зеленую массу определили влияние систематического применения удобрений и климатических условий на накопление нитратов перед посевом культур (табл. 5).

Содержание нитратов в почве под пшеницей после парового предшественника в контрольном варианте в целом за 11 лет наблюдений варьировало в пределах 1.8–5.4 мг/кг в слое 0–20 см и 2.0–11.5 мг/кг в слое 0–40 см. Столь низкое содержание нитратов под пшеницей за весь период наблюдений было обусловлено тем, что паровое поле не обеспечивало благоприятных условий для нитрификационных процессов, в первую очередь из-за недостаточного почвенного увлажнения. Например, из 11-ти лет в 8-ми отмечали сильную засуху, причем в последние 5 лет – ежегодную. Внесение полных минеральных и органических удобрений позволило повысить содержание N-NО₃ соответственно на 23–24% в слое 0–20 см и на 24–36% – в слое 0–40 см. Влияние факторов среды на накопление нитратов под пшеницей было различным в вариантах опыта. В контроле величина коэффициента корреляции возрастала в ряду: продуктивная влага в слое 0–40 см (r = 0.09 ± 0.33), температура воздуха (r = = 0.23 ± 0.32), осадки в декаду посева (r = 0.57 ± ± 0.27). При внесении минеральных удобрений показатели влияния факторов среды были практически равными: продуктивная влага в слое 0–40 см (r = 0.37 ± 0.31), температура воздуха (r = = 0.23 ± 0.32), осадки в декаду посева (r = 0.40 ± ± 0.31). Более значимые связи отмечены в варианте с внесением органических удобрений: зависимость от продуктивной влаги и осадков повысилась соответственно до r = 0.66 ± 0.25 и r = 0.59 ± 0.27. Наличие существенных связей содержания нитратов в варианте применения органических удобрений с влажностью почвы и осадками доказало усиление нитрификации при увеличении массы органических остатков.

Вторая культура – овес после пшеницы – находилась в менее благоприятных условиях увлажнения, чем пшеница, в силу удаления во времени от парового поля. Вследствие этого содержание нитратов было достоверно меньше и в среднем в контроле составило 2.5 мг/кг при размахе от 0.8 до 4.2 мг/кг в пахотном слое, в подпахотном слое показатели были схожими. Ежегодное внесение N40 в составе полного минерального удобрения привело к увеличению содержания нитратов в слое 20–40 см почвы, вследствие этого в целом в слое 0–40 см отмечено существенное повышение содержания N-NО₃ (на 45%). Более значимый эффект оказало последействие навоза 40 т/га, достоверное увеличение содержания N-NО₃ отмечено как в слое 0–20 см, так и в слое 0–40 см. Влияние условий тепло- и влагообеспеченности на содержание нитратов, вне зависимости от вариантов внесения удобрений, возрастали в ряду: сумма осадков в (1-я–2-я декада мая) → средняя температура воздуха (1-я–2-я декада мая) → содержание продуктивной влаги в слое 0–40 см. Внесение удобрений снижало зависимость запасов N-NО₃ от температуры воздуха и осадков: если в контроле данные показатели составляли соответственно r = 0.48 ± 0.29 и r = 0.38 ± 0.30, то действие N40P40К40 и последействие навоза 40 т снижали их до r = 0.25–0.11 и r = 0.17–0.12. В отличие от первой культуры, количество продуктивной влаги оказало большее влияние на содержание нитратов: r = 0.45 ± 0.29 в контроле и r = = 0.74 ± 0.22 в варианте с минеральным удобрением.

Третья культура севооборота – овес на зеленую массу – возделывали как однолетнюю траву и высевали в более поздние сроки – во 2-й декаде июня. По запасам продуктивной влаги 3-я культура была наименее обеспечена в сравнении с другими. Основная мотивация срока посева – использование региональных особенностей климата для подведения наиболее критического периода развития овса от кущения до выхода в трубку под максимум летних осадков в середине лета и использование осадков второй половины лета для прироста вегетативной массы. Для предотвращения иссушения почвы основную и предпосевную обработки почвы проводили без отрыва от посева. Более длительный период нахождения необработанной почвы в состоянии биологической активности позволил накопить большее количество нитратов в почве относительно 2-й культуры, что приближалось по запасам к первой пшенице после пара. Основным фактором, влияющим на накопление нитратов, было количество осадков, выпавшее с мая по 2-ю декаду июля, влияние температур воздуха и продуктивной влаги было низким. Подобное связано с тем, что 2 этих фактора менее вариабельны, чем осадки. Зависимость содержания N-NO₃ от осадков составила в контроле r = 0.62 ± 0.26, снижаясь в удобренных вариантах до r = 0.46 ± 0.29 и r = = 0.34 ± 0.31 соответственно в органическом и минеральном вариантах.

На режим нитратного азота в слое 0–40 см влияет не только азотминерализующий потенциал, но и миграционные потоки легкорастворимых солей в почвенном профиле. Распределение нитратов по горизонтам обусловлено их морфологическими свойствами и характером перемещения влаги. Почвы подвержены периодическому сквозному промачиванию при длительных обильных осадках, между тем восходящего потока легкорастворимых солей из-за щебнистости и опесчаненности грунта не происходит [28, 29]. Изучение дифференциальной порозности показало, что ≈70% всех пор составляли крупные, диаметром от 3 мкм до 2 мм, что создавало благоприятные условия для аэрации, диффузного движения водяных паров [30]. В условиях сильной засухи, происходящей с 70%-ной вероятностью, активный влагооборот осадков происходил, в основном, в слое 0–20 см почвы. В годы с достаточным увлажнением изменялся и водный режим почв. При интенсивных осадках, обычно выпадающих во второй половине лета, влага способна сбрасываться до почвообразующих пород [30].

Изучение распределения нитратного азота в слое 0–100 см почвы проводили в отделе агрохимии БурятНИИСХ в 1996–2012 гг. в стационарном полевом опыте. Метеорологические условия этого периода были относительно благоприятными, из 17 лет исследования в 10-ти отмечена засуха различной интенсивности, а 7 лет были благоприятными по увлажнению. Дано статистическое обобщение выборки данных по содержанию нитратного азота в 1-метровом слое почвы в контрольном варианте под культурами зернопарового севооборота (табл. 6).

При посеве пшеницы содержание нитратного азота было максимальным в слое 0–20 см, достоверно снижалось до глубины 40–60 см и стабилизировалось на уровне 3.0 мг/кг. Под 2-й культурой (овес после пшеницы) характер снижения был не столь выражен, во всей почвенной толще содержалось приблизительно одно количество нитратов в пределах 1.9–2.5 мг/кг. Аналогичный характер распределения отмечен и под 3-й культурой (овес на зеленую массу), но при более высоких показателях (2.5–3.1 мг/кг). Разница содержания N-NO₃ от поверхности до глубины 90–100 см под первой культурой составила 2.9 мг/кг, под второй и третьей – 0.3 и 0.2 мг/кг. Изменение содержания нитратного азота, описываемого экспоненциальным трендом, позволило определить константу скорости его снижения с глубиной под различными культурами. Соответственно с этим распределением изменялись и константы скорости снижения содержания нитратов на каждые 10 см глубины; под пшеницей (k = 0.172), овсом (k = 0.053) и овсом на зеленую массу (k = 0.017). Характер распределения нитратов свидетельствовал о их миграции вниз по профилю, что было обусловлено не только легким гранулометрическим составом почв, но и периодически их промывным водным режимом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, содержание нитратного азота в каштановой почве при посеве культур 4-польного зернопарового севооборота было очень низким, как в пахотном, так и подпахотном слоях и различалось в зависимости от культур севооборота и систем удобрения. Более высокое содержание нитратного азота отмечено при посеве пшеницы после пара и овса на зеленую массу, а минимальное – под второй культурой – овсом после пшеницы. Внесение удобрений существенно повышало нитратный пул почвы, при этом действие и последействия навоза 40 т/га было более ощутимо, чем полного минерального удобрения N40P40К40.

Метеорологические условия оказывали существенное влияние на накопление нитратов, для первой культуры севооборота были более значимы осадки в декаду посева, для второй культуры –продуктивная влага, для третьей – сумма осадков за май и первую половину июля. Влияние температур воздуха было менее значимо, чем условия увлажнения.

Динамика изменения содержания нитратного азота под вегетирующими растениями характеризовалась снижением от низкого содержания весной до следов к лету и незначительным возрастанием с конца августа до окончания периода биологической активности почв. В 1-метровом профиле в варианте без удобрений отмечено относительно равномерное распределение нитратов в почвенной толще.