Агрохимия, 2021, № 11, стр. 25-32

ВВЕДЕНИЕ

Минеральные соединения азота служат непосредственным источником питания растений [1]. Внесение биоугля влияет на физические условия почвенной среды и изменяет интенсивность процессов аммонификации и нитрификации, обусловливающих накопление ионов аммония и нитрат-ионов. Пока не удается найти устойчивой зависимости между концентрацией данных ионов в почве с наличием в ней биоугля вследствие крайней изменчивости почвенных условий в течение вегетационного периода. Известно, что скорость процессов аммонификации и нитрификации зависит от температуры, влажности, реакции среды, содержания органического вещества и от многих других характеристик.

Основные механизмы, регулирующие изменения содержания минерального азота в почве с биоуглем, связаны с высокой катионообменной способностью “состарившегося” биоугля за счет окислительных реакций на его поверхности и последующего взаимодействия биоугля с минеральными веществами почвы [2, 3], также с его способностью изменять pH почвенной среды [4]. На данный процесс влияют также свойства биоугля, приводящие к увеличению влагоудерживающей способности почвы и, как следствие этого, уменьшающие общий объем выщелачивания элементов [5, 6]. Кроме того, происходит микробная иммобилизации лабильного углерода, содержащегося в биоугле [3, 7]. Данный углерод может служить микробным субстратом, что приводит к увеличению потребности микробов в неорганическом азоте, и тем самым – к иммобилизации азота посредством биотических процессов [3, 6, 8, 9]. Считается, что биоуголь, благодаря своей пористой структуре, повышает число аэробных участков в почве, что способствует увеличению интенсивности нитрификации и снижению интенсивности денитрификации. Поэтому увеличивается содержание нитратного азота в почве и снижаются его потери при переходе в газообразную форму. Кроме того, биоуголь, как мелиорант, обладающий высокой адсорбционной способностью, путем катионного обмена может адсорбировать NO$_{3}^{ - }$ и NH$_{4}^{ + }$, снижая эмиссию почвенного аммиака и, таким образом, увеличивая содержание доступного азота в почве, улучшая ее плодородие. Тем не менее, адсорбция аммонийного азота биоуглем может привести к снижению его доступности нитрифицирующим микроорганизмам [10].

Цель работы – изучение влияния биоугля на содержание минеральных форм азота в дерново-подзолистой супесчаной почве разного качества.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Полевые исследования проведены с середины мая по конец сентября 2019–2020 гг. на территории экспериментальной опытной станции АФИ (МОС-АФИ) (п. Меньково, Гатчинский р-н, Ленинградская обл.). Вегетационно-полевой эксперимент заложен на Агрофизическом стационаре МОС-АФИ. Почвы стационара представлены дерново-подзолистыми супесчаными разновидностями. Данные почвы различались по степени окультуренности и качеству: среднеокультуренная (СОК) и высокоокультуренная (ВОК). В 2003–2005 гг. в среднеокультуренную почву был внесен навоз КРС 220 т/га, высокоокультуренную почву – 540 т/га [11].

На начало опыта в конце апреля 2019 г. почва участков СОК и ВОК характеризовалась следующими агрохимическими показателями. Среднеокультуренная почва имела рН_KCl 5.3, содержание С_орг – 1.53%, N_общ – 0.17%, N-NO₃ – 16.4 мг/кг почвы, N-NH₄ = 5.6 мг/кг почвы, подвижных (по Кирсанову) P₂O₅ – 255, K₂O – 112 мг/кг почвы. Высокоокультуренная почва отличалась от почвы СОК бóльшими величинами данных показателей, а именно: рН_KCl 6.4, С_орг – 2.92%, N_общ – 0.28%, N-NO₃ – 22.3 мг/кг почвы, N-NH₄ – 6.7 мг/кг почвы, подвижные (по Кирсанову) P₂O₅ – 994, K₂O – 542 мг/кг почвы.

Опытные делянки размером 4 м² (2 × 2 м) заложены 20 мая 2019 г. на парцеллах почв с СОК и ВОК, на контрольных участках (без дополнительного внесения различных доз минеральных удобрений). Схема опыта включала 2 варианта в трехкратной повторности: 1 – контроль (без биоугля), 2 – почва с биоуглем в дозе 20 т/га.

В качестве биоугля использовали древесный уголь из березы сорта “Премиум” (береза 1-го класса), фракция с размером частиц угля 0.5–5.0 см. Биоуголь произведен быстрым пиролизом при температуре 600°C на предприятии ООО “Файервуд” (Ленинградская обл, Тосненский р-н, д. Коркино). Химическая характеристика биоугля представлена в табл. 1. Перед внесением в почву биоуголь просеивали через сито с размером ячейки 2 см. Биоуголь в дозе 20 т/га (или 2 кг/м²) вносили в верхний слой 0–10 см почвы вручную.

На делянках в течение вегетационного периода 2019 г. в качестве тест-объекта возделывали викоовсяную смесь (вика посевная яровая сорта Льговский (Vicia sativa L.) и овес яровой сорта Боррус (Avéna satíva L.) в соотношении 30 : 70) из расчета 200 кг семян/га (или 21.3 г/м²). Посев состоялся 21 мая. В 2020 г. возделывался люпин белый сорт Дега (Lupinus albus L.) как сидерат под озимую пшеницу, посев проведен 15 мая из расчета 200 кг семян/га, запашка – 16 августа.

Отбор почвенных образцов в вариантах опыта проводили по стандартной методике [12] с помощью почвенного бура из слоя 0–10 см. Объединенную пробу в каждом варианте составляли из индивидуальных проб, отобранных равномерно со всей площади участка. Периодичность отбора образцов – через каждые 10–12 сут с момента закладки опыта.

Метеорологические показатели в течение вегетационных периодов 2019–2020 гг. фиксировали на метеостанции, находящейся в 200 м от Агрофизического стационара (рис. 1).

Рис. 1.

Сравнительная характеристика среднесуточной температуры и осадков в течение вегетационных периодов 2019 и 2020 гг.

Сравнивая вегетационные периоды 2019 и 2020 гг., можно отметить общие закономерности погодных явлений по месяцам. Май в годы исследования характеризовался как холодный месяц со средним количеством осадков до 80 мм, июнь – как жаркий и засушливый (но в 2020 г. осадков выпало на 30 мм больше, чем в 2019 г.), июль – теплый и влажный, август – теплый (но в 2020 г. еще и влажный по сравнению с 2019 г., когда осадков выпало всего 60 мм), сентябрь – холодный и умеренно-влажный.

Сезон 2020 г. с июня по сентябрь характеризовался более высокими среднесуточными температурами воздуха и бóльшим количеством осадков по сравнению с аналогичным периодом 2019 г. Среднесуточная температура воздуха данного периода в 2020 г. была на 1°С выше, чем в 2019 г., и составила 15.9°С, количество осадков за тот же период в 2020 г. было равно 109.3 мм, в 2019 г. – несколько меньше (92.1 мм).

Содержание аммонийного азота в образцах почв определяли колориметрическим методом в солевой вытяжке (1 н. раствор KCl) с индофенолом (ГОСТ 26489-85), нитратного азота – в виде окрашенного диазосоединения (ГОСТ 26488-85) спектрофотометрическим методом (на спектрофотометре Spectroflex 6100, WTW, Германия).

Все анализы выполнены в трехкратной повторности. Статистическую обработку результатов проводили с использованием пакета программ “MicrosoftExcel”. Определены средние величины, их стандартные отклонения, корреляции Пирсона, достоверность различий средних при p ≤ 0.05.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Определение содержания минерального азота в биоугле экстракцией 2 М KCl не позволила получить достоверные результаты. Установлены следы присутствия аммонийного азота и отсутствие нитратов в биоугле. Результаты других исследователей согласовались с нашими данными. Показано, что в биоугле может содержаться от 0.6 до 1.8 мг N/кг [13]. В наших ранее проведенных экспериментах по изучению сорбции питательных веществ было установлено, что биоуголь может поглотить калия в 4 раза больше, чем содержится в растворе. В меньшем количестве усваивается аммоний, фосфор и кальций. Данные элементы поглощаются примерно с одинаковой интенсивностью и количестве. Нитраты и магний практически не сорбировались биоуглем [14].

Анализ данных, полученных в течение вегетационного периода 2019 г., выявил постепенное снижение содержания аммонийного азота в дерново-подзолистой супесчаной почве с СОК, тогда как в вариантах почвы с ВОК отмечали его увеличение во время первых 2-х нед опыта и последующее снижение (рис. 2а). Данное повышение было связано, вероятно, с большей биологической активностью в почвах с ВОК. Высокоокультуренная почва характеризовалась более благоприятными условиями для развития микроорганизмов и растений, т.к. обладала бóльшим содержанием органического вещества и подвижных элементов. Снижение концентрации аммонийного азота в ходе дальнейшего вегетационного периода в почве было обусловлено увеличением интенсивности процессов нитрификации. Кроме этого, аммонийный азот является важнейшим источником питания для растений и поступает в растения быстрее, чем его нитратный, т.к. для его использования на построение органических веществ растениям не требуется предварительное восстановление и дополнительные энергозатраты как при использовании растениями нитратной формы азота [15].

Рис. 2.

Динамика содержания: (а) – аммонийного азота, (б) – нитратного азота в дерново-подзолистой супесчаной почве со средней и высокой степенью окультуренности (2019 г.) (СОК – средне окультуренная почва, ВОК – высоко окультуренная почва, К – контроль, Б – биоуголь). То же на рис. 3.

Кроме того, общая тенденция уменьшения содержания N-NH₄ в середине вегетационного периода, возможно, была связана с изменением воздушного, теплового и водного режимов почвы из-за засухи в июне и июле, которая оказала неблагоприятное влияние на интенсивность микробиологических процессов цикла азота.

Оптимальная температура для минерализации почвенного органического вещества составляет ≈28–30°C. При уменьшении температуры на 10°С интенсивность минерализации уменьшается на 50%, и она почти останавливается при 0°C [16]. Изменение влажности почвы влияет на минерализацию в меньшей степени, чем изменение температуры. Отмечена более интенсивная минерализация при чередовании засушливых и влажных периодов. Во время минерализации органического вещества высвобождается NH₃, он получает протон во влажном субстрате и превращается в NH$_{4}^{ + }$. В сухом субстрате происходит эмиссия аммиака, что приводит к потере азота [17].

Внесение биоугля привело к повышению содержания аммонийного азота в почве с СОК и ВОК. В вариантах с почвой с СОК биоуголь способствовал повышению содержания N-NH₄ в среднем на 38%, а в вариантах с почвой ВОК – на 33%. Повышение содержания аммонийного азота в почве с биоуглем могло быть связано с адсорбцией N-NH₄ на поверхности биоугля, и, как результат, со снижением выщелачивания N-NH₄ из почвы. Аналогичные результаты были получены в экспериментах [18].

Содержание нитратного азота в сезон 2019 г. в почве с ВОК было достоверно больше (p < 0.05), чем в почве с СОК. Это согласовалось с данными, полученными для почв разной степени окультуренности в 2012–2014 гг. [19]. В дерново-подзолистой супесчаной почве с СОК отмечено снижение содержания нитратного азота в ходе вегетационного периода (рис. 2б). В почве с ВОК в течение первых 5-ти нед опыта концентрация N-NH₃ значительно не изменялась, далее наблюдали ее уменьшение, а затем увеличение в конце вегетационного периода.

В вариантах почвы СОК и ВОК зафиксировано достоверно (p < 0.05) большее количество нитратов по сравнению с контрольными вариантами, что, по-видимому, свидетельствовало об усилении процессов нитрификации при внесении в почву биоугля. Внесение биоугля в почву с СОК повысило содержание N-NО₃ в среднем на 39%, в почву с ВОК – на 36%. Больший отклик на внесение биоугля в почву наблюдали в почве СОК. Данная почва обладала более низким нитрификационным потенциалом по сравнению с почвой ВОК, что привело к увеличению нитрификации и повышению содержания нитратного азота [20].

Корреляционный анализ данных, полученных в сезоне 2019 г., выявил отрицательную связь между температурой почвы и содержанием в ней минеральных форм азота: r = –0.50…–0.56 – для нитратного азота и более тесную связь (r = = ‒0.58…–0.86) – для аммонийного азота. Влияние влажности почвы на содержание нитратов в почве СОК было слабым (r = –0.16…–0.30), в почве ВОК зафиксирована тесная отрицательная связь (r = –0.50…–0.54). При этом в почве с биоуглем данная связь была сильнее в обоих вариантах. Корреляция между влажностью почвы и содержанием в ней аммонийного азота, напротив, в почве СОК была несколько сильнее (r = –0.28…–0.42), чем в почве ВОК (r = –0.17…–0.29). В почве с биоуглем данная связь была более тесной в обоих вариантах.

В течение 2020 г. от мая до начала июля содержание аммонийной формы азота в почве СОК в контроле оставалось практически на одном уровне – 6.60–6.84 мг/кг почвы, затем в середине июля происходило увеличение содержания аммонийного азота в 2.2 раза по сравнению с началом наблюдений (рис. 3а). К окончанию периода зафиксировано уменьшение концентрации N-NH₄ до 8.13 мг/кг почвы, что превосходило величину этого показателя в мае месяце. Внесение биоугля привело к повышению содержания аммонийного азота в почве с СОК. Тренд изменения содержания N-NH₄ в почве СОК с биоуглем был такой же, как и в почве СОК в контроле, за исключением начала мая, когда было зафиксировано небольшое уменьшение содержания аммонийной формы азота.

Рис. 3.

Динамика содержания: (а) – аммонийного азота, (б) – нитратного азота в дерново-подзолистой супесчаной почве со средней и высокой степенью окультуренности (2020 г.).

Изменение содержания аммонийного азота в дерново-подзолистой супесчаной почве ВОК в целом происходило так же, как и в почве СОК. Однако содержание N-NH₄ характеризовалось достоверно (p < 0.02) бóльшими величинами при сравнении почв СОК и ВОК в контроле и при внесении в них биоугля. Кроме того, к окончанию вегетационного периода содержание аммонийного азота в почве ВОК с биоуглем сравнялось с таковым в почве ВОК в контроле.

Внесение биоугля привело к достоверному (p < < 0.02) повышению содержания аммонийного азота в почве с СОК и ВОК. В вариантах с почвой с СОК биоуголь способствовал повышению содержания N-NH₄ в среднем за сезон на 29%, в вариантах с почвой ВОК – на 25% по сравнению с контролем. Повышение содержания аммонийного азота в почве с биоуглем в 2020 г. объясняется теми же причинами, что и повышение данного параметра в 2019 г.

Содержание нитратного азота в 2020 г. в почве с ВОК было больше, чем в почве с СОК, однако различия в содержании нитратного азота не являлись достоверными (p < 0.1). В дерново-подзолистой супесчаной почве всех изученных вариантов наблюдали волнообразное изменение содержания нитратного азота в течение вегетационного периода 2020 г. (рис. 3б). При этом максимальные величины содержания N-NO₃ зафиксированы в середине июня (11.1 мг/кг в почве СОК и 13.5 мг/кг в почве ВОК в контрольных вариантах, 13.0 мг/кг в почве СОК и 15.7 мг/кг в почве ВОК при применении биоугля). Июнь являлся самым теплым и сухим месяцем вегетационного периода. Среднесуточная температура воздуха составила 18.1°С, количество осадков – 38.9 мм. Далее до середины августа наблюдали уменьшение содержания N-NO₃ во всех вариантах опыта. Варианты различались абсолютными величинами содержания нитратного азота. Например, в почве контрольных вариантов СОК и ВОК содержалось меньше нитратного азота, чем в аналогичных вариантах с добавлением биоугля, что, по-видимому, свидетельствовало о более интенсивном процессе нитрификации в почвах с биоуглем. Кроме того, биоугль, обладающий большой удельной поверхностью и пористостью, способствует адсорбции влаги [21] и удержанию минеральных элементов, в частности, нитратного азота. В этой связи почвы с биоуглем накапливают больше нитратного азота, что имеет существенное значение для питания растений. Однако различия в содержании нитратного азота в почвах СОК и ВОК при внесении биоугля не были достоверными (p < < 0.1). Внесение биоугля в почву с СОК повысило содержание N-NО₃ в среднем на 21%, в почву с ВОК – на 18% по сравнению с контролем. Данные различия объясняются причинами, изложенными выше. В целом для вариантов с биоуглем были характерны более высокие уровни содержания N-NH₄ и N-NO₃, что согласовалось с данными других авторов [22, 23].

Корреляционный анализ данных, полученных в 2020 г., выявил положительную связь между температурой почвы и содержанием в ней минерального азота (r = 0.10–0.74) во всех вариантах, за исключением варианта почвы с ВОК и внесением биоугля, где такой связи не обнаружено в отношении аммонийного азота. Влияние влажности почвы на содержание нитратов во всех вариантах было слабым, за исключением варианта почвы с ВОК и внесением биоугля (r = –0.57). Корреляция между влажностью почвы и содержанием в почве аммонийного азота носила отрицательный характер (r = –0.55…–0.59).

При сравнении изученных почв по величине среднего содержания в них аммонийного и нитратного азота за вегетационные периоды 2019 и 2020 гг., можно отметить следующие закономерности. В 2020 г. во всех вариантах исследованных почв произошло уменьшение содержания нитратного азота, за исключением варианта СОК, где его содержание осталось практически на уровне 2019 г. (6.62 и 6.86 мг/кг почвы соответственно). Наибольшим снижением среднего содержания нитратного азота характеризовалась почва с внесением биоугля. В варианте почвы с СОК и внесением биоугля снижение данного параметра произошло на 9%, в варианте почвы с ВОК и биоуглем – на 17% по сравнению с 2019 г. Среднее за сезон содержание аммонийного азота увеличилось во всех вариантах, причем наибольшее увеличение зафиксировано для высокоокультуренной почвы как с внесением биоугля, так и без него. В варианте с почвой ВОК увеличение составляло 36%, в варианте ВОК и биоуглем – 25%, по сравнению с 2019 г.

Данные изменения были связаны с метеорологическими условиями, сложившимися в вегетационные периоды 2019–2020 гг. Погодные условия, сложившиеся в 2020 г., в большей степени способствовали процессу аммонификации, чем нитрификации, в изученных почвах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, внесение древесного биоугля в дерново-подзолистую супесчаную почву в дозе 20 т/га привело к увеличению содержания минеральных форм азота в течение 2-х лет. При этом в 2019 г. отмечали увеличение содержания минеральных форм азота в вариантах с биоуглем в 1.4 раза по сравнению с контролем, в 2020 г. – в 1.2 раза в тех же вариантах. Наибольшее увеличение содержания минеральных форм азота по сравнению с контрольным вариантом отмечено в почве со средней степенью окультуренности. В 2020 г. по сравнению с 2019 г. произошло уменьшение содержания нитратных форм азота и увеличение его аммонийных форм. Корреляционная связь содержания минеральных форм азота в почве с ее влажностью и температурой в 2019 г. носила отрицательный характер, в 2020 г. с влажностью была в основном отрицательной, с температурой – в основном положительной.