Агрохимия, 2020, № 6, стр. 22-32
ПОТОКИ 15N, ПОЧВЕННОГО И СИМБИОТИЧЕСКОГО АЗОТА В ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ЭРОДИРОВАННОЙ ПОЧВЕ
А. А. Завалин 1, *, Н. Я. Шмырева 1, О. А. Соколов 1
1 Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии им. Д.Н. Прянишникова
127550 Москва, ул. Прянишникова, 31а, Россия
* E-mail: zavalin.52@mail.ru
Поступила в редакцию 20.01.2020
После доработки 04.02.2020
Принята к публикации 10.03.2020
Аннотация
В микрополевом опыте с использованием меченного 15N азотного удобрения на эродированной дерново-подзолистой среднесуглинистой почве в течение 15 лет при выращивании в севообороте зерновых культур и многолетних бобово-злаковых трав 2-го и 3-го года жизни изучали потоки азота в системе удобрения–почва–растения. Возделываемые культуры в 1.3–1.5 раза больше потребляли азот удобрения (15N), почвенный и симбиотический азот на приводораздельной части склона по сравнению с нижней его частью. В почве приводораздельной части склона иммобилизовалось в 1.3–1.4 раза больше и в 1.3–3.0 раза меньше терялось 15N, чем в нижней части склона. При локальном способе применения азотного удобрения культуры севооборота потребляли в 1.3–1.6 раза больше 15N, в 1.2 раза – азота почвы и в 1.3–1.6 раза – симбиотического азота по сравнению с разбросным способом внесения. При локализации азотного удобрения иммобилизация азота удобрения и симбиотического и минерализация почвенного азота под культурами севооборота увеличивалась в 1.1–1.5 раза на всех элементах склона, газообразные потери азота, наоборот, снижались в 1.4–7.2 раза. При локальном внесении азотного удобрения биомасса зерна повышалась на 26–28%, сена трав – на 19–26%, содержание сырого белка увеличивалось на 0.3–1.1% в зерне на 3.4–5.4% – в сене многолетних трав. Агрофитоценоз многолетних бобово-злаковых трав функционировал в более устойчивом состоянии по сравнению с зерновыми культурами, это достигалось за счет дополнительного использования биологического азота, большей его иммобилизации и меньших потерь элемента. При разбросном способе внесения 15N мигрировал вниз по склону от места его внесения на расстояние 5 м в первый год, 9 м – на 3-й год и 55 м – через 15 лет на приводораздельной части склона (2‒3°) и на 8 м, 13 м и 72 м соответственно в нижней части склона (5–7°).
ВВЕДЕНИЕ
Азот является важнейшим фактором регулирования минерального питания растений и плодородия почв, в том числе подверженным водной эрозии. Эрозия почв – серьезная проблема современного земледелия, которая наносит ущерб их плодородию и продуктивности сельскохозяйственных культур, усиливает экологическую нестабильность агроценозов [1]. С жидким стоком в результате эрозии почв из почв теряется ≈1.4 млн т азота в год. Водная эрозия сопровождается процессами дегумификации почв, не использованный растениями азот удобрений претерпевает в почве целый ряд превращений: иммобилизуется почвой, улетучивается в атмосферу и вымывается в нижние горизонты почвенного профиля, а на склонах, кроме этого, мигрирует с поверхностным и внутрипочвенным латеральным стоком талых и ливневых вод [2]. Все это приводит к увеличению отрицательной статьи баланса азота при недостаточном внесении минеральных и других удобрений [3]. Оценить потоки азота в агросистеме возможно с применением стабильного изотопа азота 15N [4]. Ранее было показано, что при внесении изотопно-меченого Nа в дерново-подзолистой почве иммобилизовалось 24–40% азота удобрения (от применяемой дозы). Степень использования зерновыми культурами иммобилизованного азота снижалась в первые 5 лет, а затем оставалась на одном уровне – ≈1% от исходного содержания. За 14 лет систематического внесения меченого азота удобрений растения использовали из суглинистой почвы 31%, из супесчаной – 18% от внесенного количества 15N [4, 5]. Установлено также, что использование азота растениями и его закрепление в почве определяются соотношением С : N в поступающих растительных остатках. В частности, при внесении растительных остатков с широким соотношением C : N (например, солома риса) в почве закреплялось максимальное количество меченого азота по сравнению с растительными остатками с узким соотношением углерода и азота (соя, сорго) [6]. Эти данные характеризуют отдельные аспекты участия азота удобрения в круговороте этого элемента в системе почва–растения и не раскрывают потоки элемента при использовании других его источников.
Цель работы – определить параметры круговорота азота удобрения, почвенного и симбиотического азота в агрофитоценозе сельскохозяйственных культур при длительном внесении меченного 15N азотного удобрения (Na) в севообороте на эродированной дерново-подзолистой почве.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследование проводили в течение 15 лет (2000–2015 гг.) с сернокислым аммонием (Na), обогащенным меченным азотом 15N (20 ат. %) в микрополевом опыте, который размещали на делянках длительного стационарного опыта Смоленского НИИСХ в севообороте с чередованием культур: озимая рожь – овес – ячмень с подсевом многолетних трав – травы 2-го года жизни – травы 3-го года жизни. Почва – дерново-подзолистая среднесуглинистая на карбонатном мореном суглинке слабо- (приводораздельная часть склона 2–3°) и среднесмытая (нижняя часть склона 5–7°). Содержание физической глины – 32–34%. Агрохимическая характеристика пахотного слоя почвы верхней и нижней части склона: pHKCl 5.7 и 6.1, Hг (по Каппену) – 1.8 и 0.8 ммоль-экв/100 г почвы, содержание обменных Ca2+ – 5.5 и 6.0 и Mg2+ – 2.0 и 2.2 ммоль-экв/100 г почвы, гумус (по Тюрину) – 2.1 и 0.8%, Nобщ – 0.19 и 0.9%, подвижный P2O5 – 137 и 187 мг/кг и подвижный K2O – 138 и 167 мг/кг почвы (по Кирсанову). Микрополевой опыт (размер делянок 0.5 × 1 м) проводили на склоне ЮВ (юго-восточной) экспозиции вогнуто-выпуклой формы в верхней части с уклоном 2–3°, в нижней – 5–7°. Повторность опыта четырехкратная, с 15N – двукратная. Защитные полосы между микроделянками составляли 0.5 м. Обработка почвы: отвальная вспашка + рыхление подпахотного слоя на глубину 10–15 см. Перед закладкой опыта проведено известкование почвы из расчета полной нормы гидролитической кислотности. Меченое азотное удобрение (N50 для зерновых и N30 для трав) вносили весной лентой на глубину 10 см и вразброс на фоне РК-удобрений (Рсд в дозах P50 для зерновых и P30 для трав и Kх в дозах K50 для зерновых и K30 для трав).
В почвенных и растительных образцах определяли: Nобщ – методом сухого сжигания по Дюма на анализаторе Flesh EA модель 1112, атомный % 15N – на масс-спектрометре “Delta V” (ФРГ). Потоки азота в агроэкосистеме рассчитывали по методикам [7–10]. Результаты учета биомассы статистически обрабатывали методом дисперсионного анализа (STATVNIA), достоверность различий оценивали по F-критерию Фишера.
Метеоусловия в период вегетации культур севооборота несколько различались, например, гидротермический коэффициент (при среднемноголетней норме 1.7) изменялся в течение севооборота при выращивании озимой ржи – 1.3–1.7, овса – 0.9–1.5, ячменя – 1.6–2.0, трав 2-го года жизни – 1.5–2.1, трав 3-го года жизни – 1.0–2.1.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В результате 15-летнего исследования установлено, что максимальное количество азота удобрения (в 1.4–1.5 раза больше) и азот почвы (в 1.5 раза больше) зерновые культуры потребляли на приводораздельной части склона по сравнению с нижней его частью (табл. 1). При локальном применении Na зерновые культуры в 1.3–1.4 раза больше потребляли азот удобрения и в 1.2 раза больше – азот почвы по сравнению с разбросным способом его внесения. Локализация азотного удобрения обеспечивала дополнительное потребление зерновыми культурами “экстра-азота”: в 1.3–1.4 раза больше на приводораздельной части склона и в 1.2–1.6 раза – в нижней его части.
Таблица 1.
Потребление азота удобрения и азота почвы зерновыми культурами
| Вариант | Общий вынос азота, г/м2 | В том числе азот | “Экстра-азот” | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| удобрения | почвы | ||||||
| 1 | 2 | 1 | 2 | 1 | 2 | ||
| Приводораздельная часть склона, 2–3° | |||||||
| P50K50 (фон) | 3.24 | – | – | 3.24 | 100 | – | – |
| Фон + 15N50 вразброс | 6.33 | 1.07 | 18 | 5.78 | 82 | 2.01 | 30 |
| Фон + 15N50 локально | 9.01 | 1.82 | 21 | 6.94 | 79 | 4.14 | 42 |
| Нижняя часть склона, 5–7° | |||||||
| P50K50 (фон) | 2.12 | – | – | 2.12 | 100 | – | – |
| Фон + 15N50 вразброс | 4.58 | 0.68 | 18 | 3.90 | 82 | 1.56 | 34 |
| Фон + 15N50 локально | 5.96 | 1.22 | 23 | 4.74 | 77 | 2.58 | 41 |
| P, % | 4 | ||||||
| HCP05 частные средние, г/м2 | 0.84 | ||||||
| HCP05 рельеф, г/м2 | 0.60 | ||||||
| HCP05 удобрения, г/м2 | 0.49 | ||||||
Примечание. В графе 1 – г/м2, 2 – %. То же в табл. 2, 9.
Потребление многолетними травами 2-го года жизни азота удобрения, азота почвы и симбиотического азота в нижней части склона снижалось в 1.5–1.6 раза, травами 3-го года жизни – в 1.3–1.5 раза по сравнению с приводораздельной его частью (табл. 2). В травах 3-го года жизни вследствие выпадения клевера при перезимовке [10] повышалась доля азота удобрения и азота почвы и снизилась доля симбиотического азота.
Таблица 2.
Потребление азота удобрения, азота почвы и симбиотического азота многолетними бобово-злаковыми травами
| Вариант | Общий вынос азота, г/м2 | В том числе азот | Симбиотический азот | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| удобрения | почвы | ||||||
| 1 | 2 | 1 | 2 | 1 | 2 | ||
| Травы 2-го года жизни | |||||||
| Приводораздельная часть склона, 2–3° | |||||||
| P30K30 (фон) | 9.5 | – | – | 1.5 | 17 | 8.0 | 83 |
| Фон + 15N30 вразброс | 12.2 | 0.7 | 6 | 2.0 | 18 | 9.8 | 77 |
| Фон + 15N30 локально | 16.4 | 1.4 | 8 | 2.3 | 15 | 12.7 | 77 |
| Нижняя часть склона, 5–7° | |||||||
| P30K30 (фон) | 6.1 | – | – | 1.0 | 17 | 5.1 | 83 |
| Фон + 15N30 вразброс | 7.1 | 0.5 | 7 | 1.2 | 18 | 6.2 | 75 |
| Фон + 15N30 локально | 10.6 | 1.0 | 9 | 1.5 | 15 | 8.1 | 76 |
| P, % | 3 | ||||||
| HCP05 частные средние, г/м2 | 4.4 | ||||||
| HCP05 рельеф, г/м2 | 3.1 | ||||||
| HCP05 удобрения, г/м2 | 2.5 | ||||||
| Травы 3-го года жизни | |||||||
| Приводораздельная часть склона, 2–3° | |||||||
| P30K30 (фон) | 4.1 | – | – | 2.4 | 58 | 1.7 | 42 |
| Фон + 15N30 вразброс | 8.6 | 1.0 | 11 | 4.2 | 49 | 3.4 | 40 |
| Фон + 15N30 локально | 11.0 | 1.5 | 14 | 4.9 | 44 | 5.2 | 38 |
| Нижняя часть склона, 5–7° | |||||||
| P30K30 (фон) | 2.9 | – | – | 1.8 | 51 | 1.4 | 49 |
| Фон + 15N30 вразброс | 5.6 | 0.7 | 13 | 2.6 | 48 | 2.3 | 40 |
| Фон + 15N30 локально | 7.0 | 1.1 | 15 | 2.9 | 41 | 3.1 | 44 |
| P, % | 4 | ||||||
| HCP05 частные средние, г/м2 | 4.2 | ||||||
| HCP05 рельеф, г/м2 | 3.0 | ||||||
| HCP05 удобрения, г/м2 | 2.4 | ||||||
При локальном применении азотного удобрения многолетние травы 2-го года жизни в 1.8 раза больше потребляли азот удобрения, азота почвы – в 1.2 раза и симбиотического азота – в 1.3 раза, тогда как травы 3-го года жизни – в 1.5, 1.2 и 1.4 раза соответственно по сравнению с разбросным способом внесения Na.
В нижней части склона зерновые культуры использовали в 1.5 раза, а бобово-злаковые травы – в 1.3–1.5 раза меньше азот удобрения по сравнению с приводораздельной частью (табл. 3). При этом иммобилизация азота удобрения снижалась при выращивании зерновых культур в 1.4–1.5 раза, а при выращивании трав – в 1.1–1.2 раза. Газообразные потери азота удобрения, наоборот, возрастали при выращивании зерновых культур в 1.3–1.8 раза, при выращивании бобово-злаковых трав – в 1.3–3.0 раза. Наиболее интенсивно газообразные соединения азота возрастали при выращивании многолетних трав 3-го года жизни (в 1.5–3.0 раза). Повышение потерь азота удобрения в нижней части склона связано с температурно-влажностным режимом почвы, с изменением структуры микробоценоза, усилением процессов денитрификации [2], в результате этого снижалось участие азота удобрения в продукционном процессе.
Таблица 3.
Потоки и баланс азота удобрения при выращивании зерновых культур и многолетних бобово-злаковых трав на различных элементах рельефа
| Вариант | Использовано растениями | Иммобилизовано в слое 0–100 см почвы | Потери | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 1 | 2 | 1 | 2 | |
| Зерновые культуры | ||||||
| Фон + 15N50 вразброс | $\frac{{1.09}}{{21}}$ | $\frac{{0.68}}{{14}}$ | $\frac{{1.35}}{{27}}$ | $\frac{{0.92}}{{18}}$ | $\frac{{2.56}}{{52}}$ | $\frac{{3.40}}{{68}}$ |
| Фон + 15N50 локально | $\frac{{1.82}}{{33}}$ | $\frac{{1.22}}{{24}}$ | $\frac{{1.87}}{{37}}$ | $\frac{{1.34}}{{27}}$ | $\frac{{1.31}}{{26}}$ | $\frac{{2.45}}{{49}}$ |
| P, % | 3 | 4 | 3 | |||
| HCP05 частные средние, г/м2 | 0.13 | 0.22 | 0.30 | |||
| HCP05 рельеф, г/м2 | 0.10 | 0.16 | 0.21 | |||
| HCP05 удобрения, г/м2 | 0.10 | 0.16 | 0.21 | |||
| Травы 2-го года жизни | ||||||
| Фон + 15N30 вразброс | $\frac{{0.69}}{{23}}$ | $\frac{{0.53}}{{17}}$ | $\frac{{1.06}}{{35}}$ | $\frac{{0.86}}{{29}}$ | $\frac{{1.25}}{{42}}$ | $\frac{{1.61}}{{54}}$ |
| Фон + 15N30 локально | $\frac{{1.36}}{{45}}$ | $\frac{{1.00}}{{34}}$ | $\frac{{1.25}}{{42}}$ | $\frac{{1.06}}{{35}}$ | $\frac{{0.40}}{{13}}$ | $\frac{{0.94}}{{31}}$ |
| P, % | 4 | 4 | 4 | |||
| HCP05 частных средних, г/м2 | 0.14 | 0.15 | 0.25 | |||
| HCP05 рельеф, г/м2 | 0.10 | 0.11 | 0.17 | |||
| HCP05 удобрения, г/м2 | 0.10 | 0.11 | 0.17 | |||
| Травы 3-го года жизни | ||||||
| Фон + 15N30 вразброс | $\frac{{0.96}}{{32}}$ | $\frac{{0.73}}{{24}}$ | $\frac{{1.20}}{{41}}$ | $\frac{{0.97}}{{33}}$ | $\frac{{0.84}}{{30}}$ | $\frac{{1.30}}{{44}}$ |
| Фон + 15N30 локально | $\frac{{1.53}}{{51}}$ | $\frac{{1.08}}{{36}}$ | $\frac{{1.22}}{{40}}$ | $\frac{{1.12}}{{37}}$ | $\frac{{0.25}}{9}$ | $\frac{{0.80}}{{27}}$ |
| P, % | 4 | 3 | 4 | |||
| HCP05 частные средние, г/м2 | 0.62 | 0.23 | 0.41 | |||
| HCP05 рельеф, г/м2 | 0.44 | 0.16 | 0.29 | |||
| HCP05 удобрения, г/м2 | 0.44 | 0.16 | 0.29 | |||
При локальном применении азотного удобрения зерновые культуры в 1.5–1.6 раза лучше использовали азот удобрения, травы 2-го года жизни – в 1.9–2.0 раза, травы 3-го года жизни – в 1.4–1.6 раза по сравнению с разбросным способом его внесения. Азотное удобрение, внесенное локально, стимулировало минерализацию и иммобилизацию азота в почве одновременно (с разной скоростью), вследствие чего происходило сужение соотношения C : N в почве [2, 11]. В результате растения лучше использовали азот удобрения и азот почвы (а травы – и симбиотический азот), его больше иммобилизовалось в почве и меньше терялось, не загрязняя окружающую среду [12, 13].
На дерново-подзолистых почвах зерновые культуры формируют азотный пул за счет почвенного азота (63–90% от общего выноса), а бобовые растения – за счет симбиотического азота (40–85% от общего выноса) [2, 14]. Потоки азота при выращивании зерновых культур характеризовались следующими параметрами (табл. 4). Например, при выращивании ячменя доля нетто-минерализации азота росла от приводораздельной части к основанию склона (72–83 против 66–73% в верхней части склона). Реиммобилизация почвенного азота проходила с наименьшей скоростью при разбросном применении азотного удобрения в нижней части склона.
Таблица 4.
Потоки азота почвы при выращивании ячменя на различных элементах рельефа, г/м2
| Показатель | Приводораздельная часть склона, 2–3° | Нижняя часть склона, 5–7° | ||
|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 1 | 2 | |
| Потребление азота почвы растениями | 6.6 | 11.4 | 4.7 | 6.9 |
| Остаточный минеральный азот | 1.8 | 3.1 | 0.7 | 1.0 |
| Иммобилизованный–реиммобилизованный азот почвы | 13.2 | 13.0 | 8.5 | 9.7 |
| Газообразные потери азота почвы | 25.6 | 12.3 | 34.1 | 17.9 |
| Минерализованный азот почвы | 52.3 | 44.1 | 53.1 | 40.5 |
| Нетто-минерализованный азот | 37.7 | 29.4 | 43.6 | 29.5 |
| Реиммобилизованный азот | 14.6 | 14.8 | 9.4 | 11.1 |
| Р, % | 2 | |||
| HCP05 частные средние, г/м2 | 0.5 | |||
| HCP05 рельеф, г/м2 | 0.9 | |||
| HCP05 удобрения, г/м2 | 0.9 | |||
Примечание: В графе 1 – азот удобрения вразброс, 2 – азот удобрения локально. То же в табл. 5.
Складывающиеся условия минерализации почвенного азота существенно влияли на образование и потери газообразных азотсодержащих соединений. В нижней части склона терялось больше в 1.4–1.5 раза почвенного азота, чем на приводораздельной его части. При локальном применении Na газообразные потери азота почвы снижались в 2 раза на всех элементах склона. При разбросном применении Na усиливались процессы минерализации почвенного азота, росло образование газообразных азотсодержащих соединений и снижалось его участие в продукционном процессе зерновых культур.
При выращивании многолетних бобово-злаковых трав 3-го года жизни растения больше потребляли азот почвы и меньше симбиотический азот по сравнению с травами 2-го года жизни (табл. 5). Под травами 3-го года жизни усиливались процессы минерализации, иммобилизации и образование газообразных соединений почвенного азота. В верхней части склона больше минерализовалось и закреплялось почвенного азота и меньше его терялось по сравнению с нижней его частью.
Таблица 5.
Потоки азота почвы и симбиотического азота при выращивании многолетних бобово-злаковых трав на склоне
| Показатель | Верхняя часть склона, 2–3° | Нижняя часть склона, 5–7° | ||
|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 1 | 2 | |
| Травы 2-го года жизни | ||||
| Азот почвы | ||||
| Общий вынос азота почвы | 1.7 | 1.9 | 1.4 | 1.7 |
| Иммобилизованный азот | 3.9 | 2.4 | 3.1 | 3.1 |
| Газообразные потери азота почвы | 3.8 | 0.6 | 6.2 | 2.8 |
| Минерализованный азот (М) | 9.7 | 5.3 | 10.8 | 7.9 |
| Нетто-минерализованный азот (Н-М) | 5.8 | 2.9 | 7.7 | 4.8 |
| Реиммобилизованный азот (РИ) | 3.6 | 2.1 | 3.0 | 2.9 |
| P, % | 3 | |||
| HCP05 частные средние, г/м2 | 0.4 | |||
| HCP05 рельеф, г/м2 | 0.3 | |||
| HCP05 удобрения, г/м2 | 0.1 | |||
| Симбиотический азот | ||||
| Вынос симбиотического азота | 12.6 | 14.9 | 8.2 | 9.9 |
| Остаточный минеральный азот | 0.8 | 1.0 | 0.3 | 0.5 |
| Иммобилизованный азот | 20.1 | 14.0 | 15.5 | 11.7 |
| Газообразные потери азота | 19.7 | 2.8 | 26.9 | 11.5 |
| Минерализованный азот (М) | 53.1 | 32.7 | 51.9 | 33.5 |
| Нетто-минерализованный азот (Н-М) | 33.0 | 18.7 | 35.4 | 21.8 |
| Реиммобилизованный азот (РИ) | 19.3 | 13.1 | 16.3 | 11.2 |
| P, % | 3 | |||
| HCP05 частные средние, г/м2 | 1.3 | |||
| HCP05 рельеф, г/м2 | 0.9 | |||
| HCP05 удобрения, г/м2 | 0.9 | |||
| Травы 3-го года жизни | ||||
| Азот почвы | ||||
| Общий вынос азота почвы | 3.3 | 4.1 | 2.1 | 2.3 |
| Иммобилизованный азот | 5.5 | 5.4 | 5.0 | 3.5 |
| Газообразные потери азота почвы | 4.3 | 1.0 | 7.2 | 3.5 |
| Минерализованный азот (М) | 13.4 | 10.8 | 14.4 | 9.5 |
| Нетто-минерализованный азот (Н-М) | 7.9 | 5.4 | 9.3 | 6.0 |
| Реиммобилизованный азот (РИ) | 5.3 | 5.1 | 4.9 | 3.3 |
| P, % | 3 | |||
| HCP05 частные средние, г/м2 | 0.5 | |||
| HCP05 рельеф, г/м2 | 0.4 | |||
| HCP05 удобрения, г/м2 | 0.2 | |||
| Симбиотический азот | ||||
| Вынос симбиотического азота | 3.4 | 3.6 | 1.4 | 2.2 |
| Остаточный минеральный азот | 0.7 | 1.0 | 0.3 | 0.4 |
| Иммобилизованный азот | 5.6 | 3.4 | 2.7 | 2.7 |
| Газообразные потери азота | 4.4 | 0.6 | 3.8 | 2.3 |
| Минерализованный азот (М) | 14.6 | 8.7 | 8.2 | 7.6 |
| Нетто-минерализованный азот (Н-М) | 9.0 | 5.2 | 5.5 | 4.9 |
| Реиммобилизованный азот (РИ) | 4.9 | 2.5 | 2.4 | 2.3 |
| P, % | 4 | |||
| HCP05 частные средние, г/м2 | 0.5 | |||
| HCP05 рельеф, г/м2 | 0.4 | |||
| HCP05 удобрения, г/м2 | 0.2 | |||
Под травами 3-го года жизни существенно снижалась интенсивность процессов минерализации–иммобилизации/реиммобилизации симбиотического азота. Снижалось также образование газообразных соединений по сравнению с травами 2-го года жизни. Активность этих процессов превращения симбиотического азота снижалась в нижней части склона в 1.1–1.3 раза по сравнению с верхней приводораздельной его частью. При локальном применении азотного удобрения активность процессов минерализации и иммобилизации симбиотического азота снижалась по сравнению с разбросным способом его внесения. Низкое использование азота удобрения озимой рожью (9–16% от примененной дозы) при разбросном способе применения удобрения связано с высокой его миграцией с поверхностным стоком и по профилю почвы, а также со значительными газообразными потерями (61–75% от дозы) [12].
Агрофитоценоз многолетних бобово-злаковых трав функционировал в более устойчивом состоянии по сравнению с зерновыми культурами (табл. 6). Агрофитоценоз злаковых культур находился в зоне резистентности (на более низком уровне устойчивости). Более высокая устойчивость агрофитоценоза трав достигалась за счет дополнительного (лучшего) использования биологического азота, большей его иммобилизации и меньших потерь азота [14–17]. Одновременно бобово-злаковые травы 3-го года жизни уступали травам 2-го года жизни на всех элементах склона при обоих способах применения азотного удобрения. Устойчивость трав 3-го года жизни не изменилась при локальном способе внесения азотного удобрения по сравнению с разбросным способом его применения, поскольку минерализация и иммобилизация почвенного азота изменялась с одинаковой скоростью [7].
Таблица 6.
Показатели интегральной оценки функционирования системы почва–растение при выращивании зерновых культур и многолетних бобово-злаковых трав
| Часть склона | Способ внесения азотных удобрений | Зерновые культуры | Многолетние травы 2-го года жизни | Многолетние травы 3-го года жизни | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 1 | 2 | 1 | 2 | ||
| Приводораздельная часть склона, 2–3° | N вразброс | 28 | 2.6 | 37 | 1.7 | 38 | 1.6 |
| N локально | 34 | 2.0 | 40 | 1.4 | 37 | 1.8 | |
| Нижняя часть склона, 5–7° | N вразброс | 18 | 4.6 | 31 | 2.2 | 32 | 2.0 |
| N локально | 27 | 2.6 | 34 | 1.9 | 32 | 2.0 | |
| P, % | 4 | 4 | 3 | 4 | 3 | 4 | |
| HCP05 частные средние, г/м2 | 5 | 0.4 | 4 | 0.3 | 4 | 0.4 | |
| HCP05 рельеф, г/м2 | 4 | 0.3 | 2 | 0.2 | 2 | 0.3 | |
| HCP05 удобрения, г/м2 | 4 | 0.3 | 2 | 0.2 | 2 | 0.3 | |
Продуктивность зерновых культур в зернотравяном севообороте определялась местом их размещения на склоне и применением Na (табл. 7). Наибольшую массу зерна (по результатам 3-х ротаций севооборота) формировал ячмень. Все зерновые культуры на приводораздельной части склона формировали массу зерна и соломы больше в 1.4–1.5 раза по сравнению с нижней частью склона. При локальном внесении Na масса зерна всех культур повышалась на 26–28, масса соломы – на 63–64% по сравнению с разбросным способом его применения.
Таблица 7.
Продуктивность зерновых культур при выращивании на различных элементах склона
| Вариант | Зерно | Прибавка | Солома | Прибавка | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| г/м2 | % | г/м2 | % | |||
| Приводораздельная часть склона, 2–3° | ||||||
| P50K50 (фон) | 177 | – | – | 269 | – | – |
| Фон + 15N50 вразброс | 301 | 123 | 69 | 483 | 198 | 67 |
| Фон + 15N50 локально | 379 | 203 | 111 | 617 | 323 | 112 |
| Нижняя часть склона, 5–7° | ||||||
| P50K50 (фон) | 130 | – | – | 198 | – | – |
| Фон + 15N50 вразброс | 203 | 84 | 82 | 336 | 138 | 75 |
| Фон + 15N50 локально | 259 | 138 | 127 | 423 | 226 | 128 |
| P, % | 2.4 | 3 | ||||
| HCP05 частные средние, г/м2 | 24 | 30 | ||||
| HCP05 рельеф, г/м2 | 14 | 21 | ||||
| HCP05 удобрения, г/м2 | 14 | 14 | ||||
Содержание в урожае сырого белка определяется биологическими особенностями культур и условиями их выращивания (табл. 8). В нижней части склона содержание сырого белка в зерне изученных культур снижалось в среднем на 0.5–1.0% (озимой ржи – на 0.4–1.0%, овса – на 0.1–0.7%, ячменя – на 1.0–1.4%) по сравнению с приводораздельной частью склона, что было связано с условиями азотного питания и потоками азота в агроэкосистеме [2, 4, 7]. При локальном применении Na содержание сырого белка в зерне повышалось в среднем на 0.7–1.0% (озимой ржи – на 0.8–0.9%, овса – на 0.7–1.3%, ячменя – на 0.7–0.9%) по сравнению с разбросным способом внесения.
Таблица 8.
Содержание сырого белка в зерне зерновых культур (средние в 3-х ротациях), % на сухое вещество
| Вариант | Культуры | ||
|---|---|---|---|
| озимая рожь | овес | ячмень | |
| Приводораздельная часть склона, 2–3° | |||
| P50K50 (фон) | 6.8 | 7.4 | 7.7 |
| Фон + 15N50 вразброс | 7.4 | 9.2 | 8.4 |
| Фон + 15N50 локально | 8.3 | 10.5 | 9.3 |
| Нижняя часть склона, 5–7° | |||
| P50K50 (фон) | 5.8 | 6.9 | 6.3 |
| Фон + 15N50 вразброс | 7.0 | 9.1 | 7.4 |
| Фон + 15N50 локально | 7.6 | 9.8 | 8.1 |
| P, % | 46 | 4 | 3 |
| HCP05 частные средние, г/м2 | 0.9 | 1.2 | 0.9 |
| HCP05 рельеф, г/м2 | 0.7 | 0.8 | 0.6 |
| HCP05 удобрения, г/м2 | 0.5 | 0.7 | 0.5 |
За счет лучшего потребления азота удобрения, почвенного и симбиотического азота многолетние бобово-злаковые травы 2-го и 3-го года жизни формировали в 1.4 раза бóльшую массу сена на приводораздельной части склона по сравнению с нижней его частью (табл. 9). За счет локализации азотного удобрения продуктивность травосмесей повышалась: трав 2-го года жизни – на 19–20, трав 3-го года жизни – на 21–26% по сравнению с разбросным способом его внесения.
Таблица 9.
Продуктивность и качество биомассы многолетних бобово-злаковых трав
| Вариант | Биомасса сена, г/м2 | Прибавка | Сырой белок, % | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| к фону | от локализации | |||||
| 1 | 2 | 1 | 2 | |||
| Травы 2-го года жизни | ||||||
| Приводораздельная часть склона, 2–3° | ||||||
| P30K30 (фон) | 493 | – | – | – | – | 17.8 |
| Фон + 15N30 вразброс | 620 | 120 | 26 | – | – | 20.8 |
| Фон + 15N30 локально | 726 | 232 | 51 | 112 | 19 | 26.2 |
| Нижняя часть склона, 5–7° | ||||||
| P30K30 (фон) | 356 | – | – | – | – | 16.6 |
| Фон + 15N30 вразброс | 444 | 75 | 25 | – | – | 19.4 |
| Фон + 15N30 локально | 531 | 175 | 55 | 87 | 20 | 23.3 |
| P, % | 3 | 4 | ||||
| HCP05 частные средние, г/м2 | 42 | 3.2 | ||||
| HCP05 рельеф, г/м2 | 24 | 2.2 | ||||
Минимальное содержание сырого белка многолетние бобово-злаковые травы накапливали на приводораздельной части склона при локальном применении азотного удобрения. Например, в верхней части склона содержание сырого белка в биомассе трав 2-го года жизни превышало на 1.2–2.9%, в травах 3-го года жизни на 3.0–4.0% по сравнению с травами нижней части склона. При локальном применении азотного удобрения содержание сырого белка повышалось в биомассе трав 2-го года жизни на 3.9–5.4%, трав 3-го года жизни – на 3.4–3.5% по сравнению с разбросным способом его внесения в дозе N30.
Установлена также миграция 15N по склону почвы при разбросном систематическом 15-летнем применении азотного удобрения в 5-польном зерно–травяном севообороте в результате водной эрозии. Показано, что азот удобрения мигрировал вниз по склону от места его внесения на расстояние 5 м в первый год, 9 м – на 3-й год и 55 м – через 15 лет на приводораздельной части склона (2–3°) и на 8, 13 и 72 м соответственно в нижней части склона (5–7°).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате исследования, проведенного в 3-х ротациях 5-польного зернотравяного севооборота (2000–2015 гг.), на склоне юго-восточный экспозиции эродированной дерново-подзолистой почвы определены параметры круговорота азота удобрения, почвенного и симбиотического азота. В приводораздельной части склона (2–3о) зерновые культуры и многолетние бобово-злаковые травы больше в 1.3–1.5 раза потребляли азот удобрения и почвенный азот, травы также лучше потребляли симбиотический азот по сравнению с нижней частью склона (5–7°). При выращивании многолетних бобово-злаковых трав (2-го и 3-го годов жизни) в почве закреплялось азота на 22% больше, чем после зерновых культур (30–41% и 18–38% от дозы соответственно). В почве приводораздельной части склона иммобилизовалось азота удобрения больше в 1.3 раза, почвенного и симбиотического азота – в 1.4 раза, чем в нижней части склона.
Газообразные потери азота удобрения при выращивании зерновых культур на приводораздельной части склона, наоборот, снижались в 1.3–1.8 раза, азота почвы – в 1.4–1.5 раза, а при выращивании трав азота удобрения – в 1.3–3.0 раза и азота почвы – в 1.2 раза по сравнению с нижней частью склона. В верхней приводораздельной части склона при выращивании многолетних бобово-злаковых трав газообразные потери симбиотического азота сокращались в 1.4–3.5 раза по сравнению с нижней частью склона.
При локальном способе применения азотного удобрения в 1.3–1.4 раза возрастало потребление азота удобрения зерновыми культурами и в 1.5–1.6 раза – многолетними бобово-злаковыми травами по сравнению с разбросным способом его внесения. При этом было больше в 1.2 раза потребление почвенного азота зерновыми культурами и травами и в 1.3–1.6 раза – симбиотического азота многолетними травами.
При локализации удобрения Na в 1.4–1.5 раза увеличивалась иммобилизация 15N и N почвы под зерновыми культурами, а также в 1.1–1.3 раза – симбиотического азота под многолетними травами. Локальный способ применения Na обеспечивал снижение газообразных потерь 15N в 1.4–1.8 раза и в 1.9–2.1 раза азота почвы при выращивании зерновых культур, а также в 1.6–3.3 и в 2.1‒6.3 раза при выращивании трав соответственно. При выращивании трав сокращались потери симбиотического азота в 1.6–7.2 раза, что повышало экологическую устойчивость агрофитоценоза на обоих элементах склона.
Локальное внесение Na увеличивало на 26–28% массу зерна и на 19–26% биомассу многолетних трав по сравнению с разбросным способом. Содержание сырого белка в зерне зерновых культур возрастало на 0.3–1.1%, в сене трав 2-го года жизни – на 3.9–5.4%, в сене трав 3-го года жизни – на 3.4–3.5%.
Агрофитоценоз многолетних бобово-злаковых трав функционировал в более устойчивом состоянии по сравнению с зерновыми культурами. Агрофитоценоз злаковых культур находился в зоне резистентности (на более низком уровне устойчивости). Более высокая устойчивость агрофитоценоза трав достигалась за счет дополнительного (лучшего) использования биологического азота, большей его иммобилизации и меньших потерь. При этом бобово-злаковые травы 3-го года жизни уступали травам 2-го года жизни на всех элементах склона при обоих способах применения азотного удобрения.
При разбросном способе внесения 15N мигрировал вниз по склону от места его внесения на расстояние 5 м в первый год, 9 м – на 3-й год и 55 м – через 15 лет на приводораздельной части склона (2–3°) и на 8, 13 и 72 м соответственно в нижней части склона (5–7°).
Список литературы
Иванов А.Л. Почвенный покров России в условиях глобальных вызовов // Вестн. РАН. 2015. Т. 85. № 11. С. 984–992.
Завалин А.А., Соколов О.А. Потоки азота в агроэкосистеме: от идей Д.Н. Прянишникова до наших дней. М.: ВНИИА, 2016. 591 с.
Кудеяров В.Н. Оценка питательной деградации пахотных почв России // Вестн. РАН. 2015. Т. 85. № 9. С. 771–775.
Кореньков Д.А. Агроэкологические аспекты применения азотных удобрений. М.: Агроконсалт, 1999. 296 с.
Кореньков Д.А., Борисова Н.И., Васенева Л.В., Семенов Ю.И. Превращения изотопно-меченого иммобилизованного азота удобрений в системе почва–растение в полевых условиях за 14 лет // Применение 15N в агрохимических исследованиях. Новосибирск: Наука, 1988. С. 32–34.
Smith C.J., Chalk P.M. The residual value of fertiliser N in crop sequences: An appraisal of 60 years of research using 15N tracer// Field Crops Res. 2018. V. 217. P. 66–74.
Помазкина Л.В. Новый интегральный подход к оценке режимов функционирования агроэкосистем и экологическому нормированию антропогенной нагрузки, включая техногенное загрязнение почв // Усп. совр. биол. 2004. Т. 124. № 1. С. 66–76.
Турчин Ф.В. Использование азотных удобрений урожаем и его превращение в почве // Журн. ВХО. 1965. Т. 10. № 4. С. 400–401.
Fried M., Dean J. Concerning the measurement of available soil nutrients // Soil Sci. 1952. V. 73. № 4. P. 263–271.
Трепачев Е.П. Агроэкологические аспекты биологического азота в современном земледелии. М.: Агроконсалт, 1999. 531 с.
Jnselsbacher E., Wanek. W., Strauss J. A novel 15N tracer model reveals: Plant nitrate governs nitrogen transformation rates in agricultural soils // Soil Biol. Biochem. 2013. V. 57. P. 301–310.
Сычев В.Г., Соколов О.А., Завалин А.А., Шмыре-ва Н.Я. Роль азота в интенсификации продукционного процесса сельскохозяйственных культур // Экологические аспекты роли азота в продукционном процессе. М.: ВНИИА, 2012. Т. 2. 272 с.
Kleinebecker T., Holzel N., Prati D. Evedence from the real world: 15N natural abundances reveal enhanced nitrogen use at high plant diversity in Central European grassland // J. Ecol. 2014. V. 102. P. 456–465.
Kriszan M., Amelung W., Schellberg J. Longterm changes of delta 15N natural abundance of plants and soil in a temperate grassland // Plant and Soil. 2009. V. 325. P. 157–169.
Соколов О.А., Шмырева Н.Я., Завалин А.А., Черников В.А. Роль симбиотического азота и устойчивость его циклов при выращивании многолетних трав на склоне // Плодородие. 2016. № 1. С. 50–52.
Pardo L.H., Templer P.H., Goodale C.L. Regional assessment of N saturation using foliar and root δ15N // Biogeochemistry. 2006. V. 80. P. 143–171.
Rascher K.G., Hellman C., Maguas C. Community scale 15N-isoscapes: tracing the spatial impact of an exotic N2 – fixing invader // Ecol. Let. 2012. V. 15. P. 484–491.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Пн.-пт.: 10.00-19.00