Аккумуляция биогенных элементов в растительных остатках на агрочерноземах Красноярской лесостепи

Введение. Почва (ее структура, обеспеченность питательными веществами и содержание органического вещества) является фактором, определяющим первичную продуктивность во многих регионах [1]. Однако количественные оценки первичной продукции и депонированных в ней химических элементов все еще изучены недостаточно.

Питательные вещества в агроэкосистеме почвы можно рассматривать как основное хранилище их запасов. Как и в других экосистемах, сложные взаимодействия между корнями, микроорганизмами и животными характеризуются неоднородными закономерностями. Накопление отмерших надземных частей растений обычно происходит на поверхности почвы, что приводит к образованию и накоплению питательных веществ в дальнейшем для большинства сельскохозяйственных культур. В толщу самой почвы поступают корневые остатки и корневые выделения. Таким образом, процессы превращения свежего органического вещества локализуются главным образом на поверхности почвы и в зоне ризосферы [2]. B этих процессах принимают участие не только микроорганизмы, но и представители почвенной фауны. Превращение растительного опада – многоступенчатый биологический процесс, при котором происходит не только разложение, но и синтез сложных органических соединений [3]. Скорость развития процесса и его господствующее направление зависят от ботанического состава основной массы подвергающегося разложению материала (в значительной степени определяющего его химический состав), от почвенно-климатических условий, в которых этот процесс протекает, и от состава участвующих в нем организмов. В процессах разложения (минерализации) растительных остатков происходит высвобождение хими- ческих элементов и накопление их в почве. Поэтому количественные оценки аккумуляции этих элементов в растительных остатках на различных почвах представляются важными для прогноза урожайности сельскохозяйственных культур на конкретных полях.

Цель исследования : определить количественные запасы биогенных элементов в компонентах растительного вещества кормовой смеси на разных элементах рельефа агроландшафта.

Объекты и методы исследования. Исследования проводились на агроландшафте в учхозе Красноярского ГАУ «Миндерлинское» Красноярской лесостепи. Этот массив располагается на равнинно-склоново-западинном рельефе, в пределах которого выделены пробные площади (п.п.) на элювиальной (чернозем обыкновенный), трансэлювиальной (чернозем обыкновенный), трансэлювиально-аккумулятивной (лугово-черноземная) и трансаккумулятивной (черноземнолуговая) позициях. На каждой из них 3-4 раза в вегетационный сезон отбирали почвенные образцы методом микромонолита с глубин 0–5; 5– 10; 10–20; 20–30 см в трехкратной повторности. Запасы растительных остатков учитывали методом отмывки монолитов на сите 0,25 мм в проточной воде. Отмытое растительное вещество фракционировали на мортмассу и живые корни. После уборки урожая определяли запасы стерневых остатков с использованием шаблона 20 × 20 см. Полевые культуры на этом агроландшафте возделывали по плоскорезной обработке почвы. В различных фракциях растительного вещества были определены концентрации углерода, азота и некоторых зольных элементов (P, K, Ca, Mg) методом инфракрасной спектроскопии на БИК-анализаторе. Запасы этих элементов в компонентах растительного вещества овсяно-ячменной смеси на выделенных позициях агроландшафта были рассчитаны с учетом запасов отдельных фракций вещества (надземная фитомасса, стерня, корни и мортмасса) и концентрации в них химических элементов.

Результаты исследования и их обсуждение. Химические элементы в агроценозах аккумулируются в различных компонентах растительного вещества: надземных органах (в т. ч. стерневых остатках), корнях и мортмассе. Количественные оценки аккумуляции определяются запасами этих фракций и концентрациями элементов в них. В зависимости от экологических условий (рельефа, температуры, влажности почвы и запасов питательных элементов) на различных позициях агроландшафта отмечается существенное варьирование оценок аккумуляции биогенных элементов. Как видим (табл. 1), морт-масса отличается наиболее высокой концентрацией углерода и азота, что связано с протекающими в ней минерализационно-гумифика-ционными процессами. Содержание фосфора, кальция и магния в надземных органах растений овсяно-ячменной смеси практически одинаковое. Концентрация калия изменяется от 0,52–0,53 % в стерневых остатках и мортмассе до 1,01 % в корнях.

Таблица 1

Компоненты растительного вещества	C	N	P	K	Ca	Mg
Стерня	46,91	0,54	0,16	0,89	0,29	0,26
Надземная фитомасса	46,75	0,59	0,18	0,52	0,29	0,23
Корни	48,00	0,61	0,17	1,01	0,35	0,25
Мортмасса	50,00	0,71	0,18	0,53	0,30	0,20

Концентрация химических элементов в компонентах растительного вещества овсяно-ячменой смеси, %

Особым компонентом растительного вещества в агроценозах является надземная фитомасса возделываемой полевой культуры, которая определяет продуктивность поля и используется на продовольственные или хозяйственные нужды. На изученных позициях агроланд- шафта отмечается постепенное увеличение запасов надземной фитомассы от элювиальной (13,79 т/га) к трансэлювиально-аккумулятивной (15,15 т/га) и трансаккумулятивной (14,56 т/га) позиции агроландшафта (рис. 1). Эта закономерность объясняется меняющимися экологиче- скими условиями в пределах равнинно-склоново-западинного рельефа этого агроландшафта. В шлейфовой (трансэлювиально-аккумулятивная позиция) и западинной (трансаккумулятивная) части наблюдается увеличение запасов продуктивной влаги и питательных элементов.

Рис. 1. Запасы надземной фитомассы овсяно-ячменной смеси, т/га

Запасы углерода, аккумулированные надземной фитомассой овсяно-ячменной смеси, изменяются от 6 437 до 7 129 кг С/га (табл. 2). Наибольшие запасы углерода обнаруживаются в фитомассе на трансэлювиально-аккуму-лятивной позиции агроландшафта, наименьшие – на элю- виальной. Такая же закономерность отмечается и по другим химическим элементам. Следовательно, депонированные в фитомассе элементы определяются ее запасами, зависящими, в свою очередь, от обеспеченности почвы влагой и питательными элементами.

Таблица 2

Запасы химических элементов в надземной фитомассе овсяно-ячменной смеси, кг/га

Позиция агроландшафта	C	N	P	K	Ca	Mg
1 п.п. – элювиальная	6437,2	83,5	25,4	68,0	35,7	30,2
2 п.п. – трансэлювиальная	6636,0	83,3	25,8	73,5	43,6	32,4
3 п.п. – трансэлювиально-аккумулятивная	7129,0	92,0	28,3	82,4	51,1	34,2
4 п.п. – трансаккумулятивная	6804,2	83,2	26,4	77,6	39,5	32,9

Важным компонентом растительного вещества в агропочвах являются стерневые, или пожнивные остатки, остающиеся на поверхности почвы после уборки урожая. Запасы стерни, как правило, определяются урожайностью культуры и высотой среза стеблей (соломы) комбайном при уборке. Высота среза растений колеблется в зависимости от рельефа поля, что приводит к значительному варьированию массы стерневых остатков (рис. 2). Отметим, что масса стерневых остатков повышается от равнинной к склоновой и западинной части агроландшафта.

Запасы химических элементов в пожнивных остатках значительно ниже относительно фитомассы овсяно-ячменной смеси (табл. 3). Это обусловлено отсутствием большей части продуктивных органов (части соломы и озерненных колосков), в которых сконцентрированы основные запасы химических элементов.

Рис. 2. Запасы пожнивных остатков, т/га

Запасы химических элементов в пожнивных остатках (стерне), кг/га

Таблица 3

Позиция агроландшафта	C	N	P	K	Ca	Mg
1 п.п. – элювиальная	1014,4	11,1	3,5	19,9	5,6	5,8
2 п.п. – трансэлювиальная	1260,2	15,6	3,9	18,1	8,3	6,8
3 п.п. – трансэлювиально-аккумулятивная	1219,7	13,1	4,2	26,6	8,7	6,4
4 п.п. – трансаккумулятивная	1376,7	15,9	4,8	27,5	8,0	7,7

Запасы подземных растительных остатков в почве количественно и по составу фракций меняются в течение вегетационного сезона (рис. 3). В майский срок определения, до посева полевых культур, подземное растительное вещество представлено только мортмассой, запасы которой в слое 0–30 см достигают 9–10 т/га на элювиальной и трансаккумулятивной позициях. На склоне агроландшафта (2 п.п.) запасы мортмас-сы снижаются почти в 2 раза.

В следующие сроки определения продукционный процесс сопровождается приростом корней растений. Поэтому в эти сроки подземное растительное вещество составляют корни и мортмасса. Запасы корней на всех пробных площадях в июле выше, чем в сентябре, накануне уборки. Известно [1, 4], что максимальный прирост корней сельскохозяйственных растений отмечается в фазу цветения (вторая половина июля). Как видим, запасы корней на 1 и 4 п.п.

выше, чем на 2 и 3 п.п., расположенных на склоне агроландшафта. Уменьшение запасов корней овсяно-ячменной смеси к сентябрю обусловлено отмиранием части корней, поступлением их в мортмассу и разложением.

Максимальная доля мортмассы везде сосредоточена в слое 0–5 см, что обусловлено при-вносом сюда отмирающих надземных органов растений, в т. ч. и стерневых. Запас мортмассы в агропочвах пополняется за счет корней и стерневых остатков. Это довольно гетерогенная смесь постоянно подвергается процессам разложения.

Отметим, что распределение запасов корней и мортмассы на позициях агроландшафта в значительной мере повторяют характер распределения надземной фитомассы. Западинная часть агроландшафта отличается наибольшими запасами корней и мортмассы.

Рис. 3. Запасы подземных растительных остатков, т/га

Наибольшие запасы химических элементов (табл. 4) в мортмассе наблюдаются в мае, в период увеличения активности микробиологических процессов за счет повышения температуры и влаги в почве. Элювиальная позиция агроландшафта характеризуется в этот период высоким накоплением химических элементов в мортмассе, что связано с максимальными ее запасами в весенний период. К июлю на всех позициях агроландшафта, кроме трансэлювиальной, запасы химических элементов в подземном растительном веществе снижаются. В сентябре, когда отмершие части растений подвергаются минерализации, наблюдается увеличение химических элементов в мортмассе на 1, 3 и 4 п.п.

Наибольшие запасы химических элементов в корнях обнаруживаются в июле. В сентябре, в связи с отмиранием части корней и уменьшением их запасов, наблюдается снижение аккумулированных запасов биогенных элементов на всех позициях агроландшафта, кроме элювиальной. Таким образом, депо химических элементов в подземных фракциях растительного вещества зависит в наибольшей мере от их запасов, чем от концентрации элемента.

Запасы химических элементов в подземном растительном веществе, кг/га

Таблица 4

П.п.	Растительные остатки	Май 2015 г.						Июль 2015 г.						Сентябрь 2015 г.
		C	N	P	K	Ca	Mg	C	N	P	K	Ca	Mg	C	N	P	K	Ca	Mg
1	Корни	-	-	-	-	-	-	230,4	2,9	0,8	4,8	1,7	1,2	321,6	4,1	1,1	6,8	2,3	1,7
	Мортмасса	4930,0	70,0	17,7	52,3	29,6	19,7	2105,0	29,9	7,6	22,3	12,6	8,4	2490,0	35,4	9,0	26,4	15,0	10,0
2	Корни	-	-	-	-	-	-	321,6	4,1	1,1	6,8	2,3	1,7	163,2	2,1	0,6	3,4	1,2	0,9
	Мортмасса	2765,0	39,3	9,9	29,3	16,6	11,1	3125,0	44,4	11,3	33,1	18,8	12,5	1740,0	24,7	6,3	18,4	10,4	7,0
3	Корни	-	-	-	-	-	-	283,2	3,6	1,0	6,0	2,1	1,5	206,4	2,6	0,7	4,3	1,5	1,1
	Мортмасса	2645,0	37,6	9,5	28,0	15,9	10,6	1920,0	27,3	6,9	20,4	11,5	7,7	2940,0	41,7	10,6	31,2	17,6	11,8
4	Корни	-	-	-	-	-	-	494,4	6,3	1,8	10,4	3,6	2,6	144,0	1,8	0,5	3,0	1,1	0,8
	Мортмасса	4540,0	64,5	16,3	48,1	27,2	18,2	3045,0	43,2	11,0	32,3	18,3	12,2	3460,0	49,1	12,5	36,7	20,8	13,8

n\£vH эпУэзнпгогоп^

Выводы

• 1.    Запасы и структура растительного вещества овсяно-ячменной смеси варьируют в зависимости от рельефа агроландшафта.

• 2.    Запасы компонентов растительного вещества овсяно-ячменной смеси закономерно увеличиваются в направлении от элювиальной к трансэлювиально-акумулятивной и трансаккумулятивной позиции агроландшафта.

• 3.    Аккумуляция биогенных элементов в различных компонентах растительного вещества овсяно-ячменной смеси определяется величиной их запасов. Наибольшие запасы биогенных элементов депонируются в надземных и подземных компонентах растительного вещества на трансаккумулятивной позиции агроландшафта.