Агрохимия, 2023, № 1, стр. 13-24

ВВЕДЕНИЕ

На дерново-подзолистых [1–3] и серых лесных почвах Владимирского ополья [4] выявлена решающая роль азотных удобрений в повышении продуктивности возделываемых полевых культур в различных севооборотах. Однако в отдельные более благоприятные по увлажнению годы на легких дерново-подзолистых почвах при применении полного минерального удобрения отмечена более высокая урожайность полевых культур, чем на более плодородных серых лесных почвах Ополья. По развиваемым в работах [5, 6] представлениям это связано с различиями в питании растений подвижными формами азота, формирующимися в процессе трансформации органических и азотных минеральных удобрений в зависимости от физико-химических свойств почвы (емкости катионного обмена, минералогического и гранулометрического состава). Исследования проводили на почвах Владимирского ополья.

В исследованиях [4, 5] установлено, что на слабокислых серых лесных почвах известкование слабо влияло на урожайность полевых культур и продуктивность севооборотов. Это объяснено отсутствием в контроле и во всех вариантах известкования в метровом слое этих почв обменного алюминия в токсичных для корневых систем возделываемых культур количествах. Известкование обеспечивало возможность распространения их в более глубокие влажные слои почвы при пересыхании верхних.

Средняя ежегодная продуктивность 8-польного зернотравяно-пропашного севооборота на 89.1–94.7% и 7-польного зернотравяного севооборота на 92–93% определялась применением азота минеральных удобрений и навоза крупного рогатого скота. Участие фосфорно-калийных удобрений повышало тесноту связи на 4.3–7.4%.

Поскольку решающее влияние на продуктивность севооборотов на серых лесных почвах Верхневолжья оказывало применение азота минеральных удобрений и навоза, то в работах [4, 5] изучали трансформацию внесенных азотных удобрений и навоза КРС и связанную с ней среднюю ежегодную динамику содержания нитратного и аммонийного азота под культурами 7-польного севооборота.

К 1-му сроку наблюдений (отрастание озимых и многолетних трав, всходы яровых культур и однолетних трав) происходила трансформация внесенных азотных удобрений в нитраты, азота органического вещества почвы (гумуса, растительных остатков) и органических удобрений – в аммиачную и нитратную формы. Поэтому запасы последней в этот срок обычно были максимальными. К середине вегетации запасы N-NO₃ снижались за счет интенсивного поглощения растениями, к уборке культур несколько возрастали, в засушливые годы могли уменьшаться.

Установлено [4, 5], что при применении азотных минеральных удобрений (аммиачной селитры) запасы нитратного азота в 1-й срок наблюдений в слое 0–40 см почвы повышались с 42.2 (контроль) до 90–160 кг/га, в то время как запасы аммонийного азота изменялись в небольших пределах (c 98.1 до 96–136 кг/га). В удобренных азотом вариантах поглощение N-NO₃ (снижение его запасов во 2-й срок по сравнению с 1-м, кг/га) в ответственные фазы роста и развития культур было в 2.5–3.4 раза более высоким, чем N-NH₄. Очевидно, они играли определяющую роль в повышении продуктивности культур севооборота, т.к. полностью находились в жидкой фазе. Ионы аммония в почвах с высокой емкостью катионного обмена переходили в жидкую фазу в небольших количествах. Коэффициент использования запасов N-NO₃ за 1-ю половину вегетации культур в слое 0–40 см почвы варьировал от 54 до 70%, запасов N-NH₄ – от 7.5 до 26.1%.

Различия в размерах использования запасов N-NO₃ и N-NH₄ за указанный период были обусловлены полным нахождением нитратного азота в жидкой фазе почвы, аммонийного – частичным. За 1–4-ю ротации динамика запасов N-NO₃ в слое 0–40 см почвы в течение вегетации культур была однотипной. Однако запасы N-NH₄ в слое 0–40 см почвы в 1-й срок наблюдений по сравнению с 1-й и 2-й ротациями снизились в 3-й ротации в 1.58–1.77 раза, в 4-й – в 3–4 раза, а степень перехода N-NH₄ почвы в жидкую фазу (соотношение почва : вода = 1 : 1) за те же годы в слое 0–20 см уменьшалась с 3.3–5.4 до 1.4–3.5% в 3-й ротации, до 0.6–2.4% – в 4-й ротации. Снижение как запасов N-NH₄ в почве (в 3–4 раза), так и доли их перехода в жидкую фазу в 4-й ротации по сравнению с 1-й и 2-й подтвердило слабую роль аммонийного азота и определяющую роль N-NO₃ в питании возделываемых культур при применении научно обоснованных доз азотных удобрений.

Высокая прочность связи ионов аммония ППК (при высокой емкости катионного обмена, ЕКО) вела к решающей роли запасов N-NO₃ в почве на продуктивность возделываемых культур и севооборотов, к более высокой агрономической эффективности минеральной и органо-минеральной систем удобрения по сравнению с органической. Это было связано с более быстрой трансформацией азота внесенных минеральных удобрений в ранние периоды вегетации культур в нитратную форму, чем азота органических.

Установлено [5], что 1 кг азота внесенных органических удобрений в слое 0–40 см почвы в 1-й и 2-й ротациях в ранний период вегетации культур обеспечивал накопление 0.18 кг нитратного азота, а 1 кг азота минеральных – 1.26 кг. В 3-й и 4-й ротациях севооборота величина накопления нитратного азота от 1 кг азота навоза повысилась с 0.18 до 0.35 и 0.39 кг, 1 кг азота аммиачной селитры – с 1.26 до 1.27 и 1.30 кг, эффективность азота навоза на накопление нитратного азота в почве по сравнению с аммонийным азотом селитры составила $\frac{{0.35}}{{0.64}}...\frac{{0.39}}{{0.65}}$, или 0.55–0.60. В 1-й и 2-й ротациях накопленные в период активной химизации запасы аммонийного азота в почве замедляли трансформацию азота органических удобрений в нитратную форму в ранние сроки вегетации культур.

Для слоев 0–20 и 20–40 см почвы в образцах 2007 и 2020 гг. была установлена тесная линейная связь содержания N-NH₄ в почве (6.92 > x > 0.77, мг/100 г почвы) с размерами его перехода в водную вытяжку (W, %) [6]:

W = 0.28 + 0.743x, n = 68, t_сущ = 26.2, r² = 0.912, доверительный интервал – 0.98.

Очевидно, в этом случае на статистические параметры, определяющее влияние, оказали наиболее высокие величины вариант (х), при которых повышалась подвижность аммонийного азота почвы, при более низких могли проявиться и другие факторы, влияющие на степень перехода аммонийного азота почвы в жидкую фазу. Для серых лесных почв ополья, характеризующихся высоким варьированием физико-химических и химических свойств, это требует дальнейших исследований.

В дополнение к сказанному следует сослаться на последние исследования и на дерново-подзолистых почвах [7, 8]. Например, на дерново-слабоподзолистых легко- и среднесуглинистых почвах Ярославской обл., характеризующихся гидрослюдистым минералогическим составом ила и высокой емкостью катионного обмена 14–24 мг-экв/100 г почвы, по действию куриного помета (КП) содержание аммонийного азота в слое 0–40 см возрастало до 4–6 мг/100 г почвы, а степень его перехода в жидкую фазу – до 8.0–22.5%. Но уже при последействии КП эти параметры снизились до 1.46–1.76 мг/100 г почвы и до 2.5–2.7%. При последействии КП урожайность возделываемых культур определялась запасами нитратного азота в слое 0–40 см почвы [8].

На легких дерново-подзолистых почвах Мещеры, в которых ЕКО и содержание физической глины варьировали соответственно от 2.0 до 14.6 мг-экв/100 г почвы и от 1.4 до 22.5%, степень перехода N-NH₄ почвы в жидкую фазу возрастала с уменьшением обоих параметров (r² = 0.907), изменяясь от 7.0 до 22.4% [5, 7].

Цель работы – в многолетнем стационарном комплексном опыте (агроландшафты) оценить роль удобрений, физико-химических и химических свойств, почвенных разностей серых лесных почв на запасы нитратного азота и подвижность аммонийного азота в почве.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование провели на 1-1 культуре 5-й ротации 5-ти шестипольных севооборотов (табл. 1). Опыт заложен в 1996 г. [9]. Дозы удобрений рассчитывали балансовым методом для следующих уровней интенсивности:

Дозы удобрений, внесенных под предшествующую культуру (конец 4-й ротации, 2020 г.) и 1-ю культуру 5-й ротации севооборотов, представлены в табл. 2. Почвенные анализы по общепринятым методикам проведены для 3-х почвенных разностей: серые лесные типичные, серые лесные среднеоподзоленные, серые лесные среднеоподзоленные со ВГГ [10]. Содержание аммонийного азота в водной вытяжке (1 : 1) определяли с помощью ионоселективного электрода на ионы NH$_{4}^{ + }$ [5, 7].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Погодные условия в 2021 г. характеризовались крайне неравномерным выпадением осадков в течение вегетационного периода, не совпадающим с оптимальной потребностью в них полевых культур, высокими перепадами температур. Весна 2021 г. была затяжной. За апрель выпала почти двойная норма осадков, за май – близкая к норме. Температура в 1-й декаде мая была на 1.1°С более низкой, чем среднемноголетняя норма. Средняя температура воздуха за июнь была на 4°С более высокой, чем среднемноголетняя, что ускоряло развитие растений. Количество осадков было близким к норме. Причем в 3-й декаде их было в 2.3–2.5 раза меньше, чем обычно. За период с 13.06 по 20.07.2021 г. (за 37 сут) выпало всего 12.2 мм. Из них 36% (4.3 мм) являлись малоэффективными. Таким образом, в фазах выхода в трубку и колошения растения испытывали острый дефицит во влаге, что резко снизило урожайность зерновых яровых культур. Выпавшие в 1-й и последующих декадах августа осадки уже заметно не могли повлиять на величину урожая яровых зерновых культур, но усложнили их уборку, заметно ускоряли трансформацию азота почвы и удобрений.

Исследования показали (табл. 3), что при отвальной вспашке на 20–22 см по сравнению с нулевым уровнем интенсификации (1. Овес + травы, о/о) с его повышением до “в/ом” (5. Картофель) в слое 0–60 см почвы запасы N-NO₃ в 1-й срок наблюдений в серой лесной почве возрастали с 10.0 до 85.2 кг/га, в серой лесной средне-оподзоленной – с 14.9 до 196 кг/га. В уборку запасы N-NO₃ в вариантах последействия навоза 40 (о/о) и N60Р60К60 с действием N45Р45К45 (и/м, севооборот 3 – ячмень + травы) в обеих почвенных разностях возросли: до 38.1 и 57.2 кг/га в серой лесной почве и до 22.9 и 38.8 кг/га – в серой лесной средне-оподзоленной (табл. 4), что было обусловлено более благоприятными условиями увлажнения и достаточно высокими температурами для процессов нитрификации. В вариантах дальнейшего повышения уровня интенсификации возрастание запасов N-NO₃ в почве в уборку не наблюдали. Полученные результаты в целом совпадали с результатами работ [4–6].

При комбинированно-энергосберегающей системе обработки почвы на серой лесной среднеоподзоленной со ВГГ почве при рыхлении на 10–12 см, когда основная часть внесенных органических удобрений располагалась в верхней части пахотного слоя, интенсивно проходили процессы нитрификации в вариантах последействия навоз 40 т/га и навоз 40 т/га + N60 с действием N45Р45К45. Показано, что запасы нитратного азота резко возрастали в оба срока наблюдений (табл. 5). При применении только минеральных удобрений с повышением уровня их применения от уровня и/м (севооборот 3 – ячмень + многолетние травы) до уровня в/м (севооборот 4 – ячмень + многолетние травы) запасы N-NO₃ также возрастали с 35.3 до 52.2 в фазе всходов и с 59.5 до 129 кг/га в фазе уборки.

В целом запасы N-NO₃ в слое 0–60 см почвы увеличивались с повышением уровня интенсификации, наиболее высокими они были в серой лесной средне-оподзоленной с ВГГ почве и размещении органических удобрений в верхней части пахотного слоя, благоприятные условия увлажнения после уборки при высоких температурах способствовали более быстрому восстановлению плодородия почвы по величине запасов N-NO₃.

Так как в почве первым этапом трансформации органического вещества, растительных остатков, внесенных органических удобрений является аммонификация, с ростом которой повышаются скорость нитрификации и размеры накопления в почве нитратного азота, то на примере почвенных разностей серых лесных почв в опыте была изучена взаимосвязь степени перехода аммонийного азота в жидкую фазу при соотношении почва : вода = 1 : 1 в зависимости от некоторых свойств почвы. Были использованы образцы почвы, отобранные до глубины 100 см на 3-х почвенных разностях (серые лесные, серые лесные средне-оподзоленные, серые лесные средне-оподзоленные с ВГГ), использованных при различных уровнях интенсификации и различавшихся содержанием аммонийного азота, гумуса, емкостью катионного обмена и величиной рН_КС1 (табл. 6).

Степень перехода аммонийного азота в жидкую фазу (W) варьировала в узких пределах (от 0.06 до 2.20%), содержание аммонийного азота в почве – от 0.85 до 4.24 мг/100 г почвы, содержание гумуса – от 0.29 до 5.58%, емкость катионного обмена – от 15.5 до 33.0 мг-экв/100 г почвы, рН_КС1 – от 4.85 до 7.20 ед.

Установлено, что с увеличением содержания N-NH₄ в почве доля его перехода в жидкую фазу снижалась, что в целом совпадало с законом действующих масс. На влияние этого фактора приходилось около 10.0% вариации степени перехода W. Доля влияния величины содержания гумуса составила 34.3%, т.е. было в 3.4 раза более высоким. Между этими параметрами наблюдали среднюю степень взаимосвязи. Известно, что соли аммония органических кислот хорошо растворимы в воде и, следовательно, их связь с кислотными группами органического вещества весьма слабая. Слабо влияла на параметр W и емкость катионного обмена (доля – ≈5.7%). Без учета взаимодействия факторов степень перехода аммонийного азота почвы в жидкую фазу слабо возрастала.

При учете влияния на показатель W 2-х изученных параметров (содержание аммонийного азота и гумуса в почве) величина R² достигала 54.0% (средняя степень взаимосвязи). При этом степень перехода W снижалась с увеличением содержания аммонийного азота, но увеличивалась с ростом содержания гумуса в почве.

При учете влияния на степень перехода W всех изученных факторов и их взаимодействий получена высокая степень взаимосвязи (R² = 0.678). При этом с ростом содержания N-NH₄, величины ЕКО отмечено уменьшение степени перехода аммонийного азота в жидкую фазу, что совпадало с результатами работ [5–7]. С ростом содержания гумуса степень перехода W особенно быстро повышалась (выявлена квадратичная зависимость). Этот параметр несколько снижался с ростом рН_КСl, но повышался от взаимодействия показателей ЕКО и рН_КСl.

В работах [4–6] было установлено, что определяющее влияние на продуктивность возделываемых культур оказывали запасы подвижных форм азота, формирующиеся в ранний период их вегетации в слое 0–40 см почвы. Но поглощение азота из почвы отмечено и из слоев глубже 40 см. Поэтому учет содержания подвижных форм азота и свойств почвы более глубоких слоев 0–60 см будет более корректно отражать взаимосвязи между ними. В связи с этим для слоев 0–10, 10–20, 20–40 и 40–60 см серых лесных, серых лесных средне-оподзоленных и серых лесных средне-оподзоленных с ВГГ почв были усреднены данные степени перехода N-NH₄ почвы в жидкую фазу, содержания аммонийного азота, гумуса, ЕКО и величин рН_КСl (табл. 7).

Наиболее высокая доля перехода аммонийного азота в жидкую фазу W отмечена в серой лесной с ВГГ почве, наиболее низкая – в серой лесной средне-оподзоленной. Однако содержание N-NH₄ в почве было наиболее высоким в последней почвенной разности.

Содержание гумуса и ЕКО снижались от серой лесной средне-оподзоленной с ВГГ почвы к серой лесной и серой лесной средне-оподзоленной.

Наиболее высокие показатели рН_КСl в слое 0–20 см почвы выявлены в серой лесной почве (5.86–6.06 ед.), наиболее низкие (5.37–5.53) – в серой лесной средне-оподзоленной с ВГГ почве. В то же время в слоях 20–40 и 40–60 см почвы в серой лесной средне-оподзоленной почве наблюдали наиболее низкие величины рН_КСl (5.38–5.59 ед.), что было связано с генезисом серых лесных почв (повышенное увлажнение).

Корреляционно-регрессионный анализ взаимосвязи средней степени перехода N-NH₄ почвы в жидкую фазу со средними изученными параметрами (табл. 8) позволил выявить их тесную высокую связь (0.877 > R² > 0.707).

Коэффициент детерминации для взаимосвязи степени перехода W с содержанием гумуса составил 70.7% (модель 1). При учете ЕКО и содержания гумуса он повышался до 86.9% (модель 2). При этом с ростом ЕКО в начале наблюдали повышение параметра W, а затем – снижение. По модели 3 с увеличением содержания аммонийного азота в почве степень перехода W снижалась по квадратичной зависимости, но повышалась от действия его сочетания с содержанием гумуса. Несколько более тесная взаимосвязь установлена при учете содержания гумуса, величины рН_КСl и сочетания этих параметров (модель 4). При этом с ростом рН_КСl степень перехода W изменялась, проходя через минимум.

Очевидно, в серых лесных средне-оподзоленных почвах в слоях 20–40 см и 40–60 см почвы при более низких величинах рН_КСl повышался положительный заряд гидроксидов железа и алюминия. Это вело к гетерокоагуляции их с отрицательно заряженными органическими и органо-минеральными коллоидами. При этом происходило внутриагрегатное поглощение ионов аммония, переход которых в жидкую фазу замедлялся. Основной же причиной снижения параметра W в более глубоких слоях этой почвы являлось снижение микробиологической активности, особенно процессов нитрификации, из-за повышения кислотности. Это подтверждало наиболее высокое содержание аммонийного азота в слоях 20–40 и 40–60 см почвы (табл. 7).

В табл. 9 проведено сравнение экспериментально полученных средних величин перехода аммонийного азота в жидкую фазу (вытяжка почва : вода = 1 : 1) с рассчитанными по моделям 1–4 (табл. 8) величинами. Получено удовлетворительное соответствие между ними.

В острозасушливом 2021 г. погодные условия оказали определяющее отрицательное влияние на урожайность яровых зерновых культур [11]. Дефицит влаги в период колошение–формирование зерна снизил их урожайность (ц зерна/га), которая составила: овса – 21.9–25.6, ячменя – 13.2–15.0. Достоверных различий влияния удобрений и систем обработок на этот параметр не установлено.

Регулярно выпадающие по декадам августа осадки [11] позволили получить урожай клубней картофеля при интенсивном уровне применения удобрений в размере 259–281, при высокоинтенсивном – 264–284 ц/га. Очевидно, примененные дозы удобрений (табл. 2) повышали запасы нитратного азота (табл. 3) в слое 0–60 см почвы до 85.2–196 кг/га и обеспечивали получение высоких урожаев этой культуры. При этом нужно отметить, что увеличение дозы полного минерального удобрения с N90P90K90 до N120P120K120 не вело к достоверному росту урожайности картофеля. Для серых лесных почв Ополья это наблюдали и в других исследованиях [12].

В вариантах, где под картофель применяли зяблевую вспашку на 20–22 см (системы отвальной и комбинированно-ярусной обработки) урожайность картофеля была достоверно больше (283 и 280 ц/га соответственно), чем при комбинированно-энергосберегающей (265 ц/га) и противоэрозионной (262 ц/га) системах обработки (НСР₀₅ = 13 ц/га). По-видимому, при вспашке формировались более благоприятные агрофизические свойства пахотного слоя и его водно-воздушный режим.

ВЫВОДЫ

1. Обобщены литературные данные о влиянии подвижных форм азота на продуктивность культур севооборотов на серых лесных почвах Владимирского ополья и дерново-подзолистых почвах разного физико-химического состояния. На легко- и средне-суглинистых почвах, характеризующихся высокой емкостью катионного обмена, определяющая роль в повышении урожайности культур севооборота принадлежала запасам нитратного азота, в меньшей мере (в 2–3 раза) – запасам аммонийного азота в слое 0–40 см почвы в ранний период их вегетации. Это было связано с полным нахождением нитратного азота в жидкой фазе, аммонийного – с частичным. С облегчением гранулометрического состава и уменьшением емкости катионного обмена переход N-NH₄ почвы в жидкую фазу значимо повышался, для диагностики минерального питания растений азотом можно использовать запасы его аммонийной и нитратной форм.

2. В многолетнем стационарном опыте “агроландшафты” подтверждено влияние внесенных минеральных азотных и органических удобрений, повышавшее запасы N-NO₃ в почве, выявлены различия в запасах нитратного азота в различных почвенных разностях серых лесных почв и в вариантах систем их обработки.

3. Для первого этапа трансформации удобрений (аммонификации), влияющего на дальнейшие процессы нитрификации, установлены факторы как повышения, так и снижения степени перехода аммонийного азота почвы в жидкую фазу (W). Этот параметр возрастал с увеличением содержания гумуса и уменьшался с ростом содержания в почве аммонийного азота. С повышением емкости катионного обмена в начале наблюдали рост параметра W, затем – его снижение. В начальной области увеличения рН_КСl происходило снижение степени перехода аммонийного азота в жидкую фазу, в дальнейшем – ее возрастание. Наиболее заметным влияние величины рН_КСl на изученный параметр было характерно для серой лесной средне-оподзоленной почвы.