Гумусное и азотное состояние целинных пахотных черноземов
Автор: Королва И.Е., Лебедева И.И., Гребенников А.М.
Журнал: Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева @byulleten-esoil
Статья в выпуске: 71, 2013 года.
Бесплатный доступ
На количественном уровне по основным показателям охарактеризовано плодородие целинных черноземов в зонально-подзональном аспекте. Прослежены изменения азотного и гумусового состояния при начальной стадии освоения. По запасам гумуса и азота черноземы лесостепи и степи имеют существенные различия: наибольшие запасы гумуса и азота сосредоточены в миграционно-мицелярных (типичных) черноземах, наименьшие – в текстурно-карбонатных (южных). Намечен прогноз агроэволюции черноземов при усилении антропогенного воздействия.
Агроэволюция черноземов, состав гумуса, формы азота
Короткий адрес: https://sciup.org/14313568
IDR: 14313568
Текст научной статьи Гумусное и азотное состояние целинных пахотных черноземов
При сельскохозяйственном освоении целинных и залежных черноземов запасы гумуса и азота (основных составляющих плодородия) в их верхних горизонтах заметно уменьшаются. Это связано как с исчезновением естественного покрова многолетней травянистой растительности, ежегодно обогащающей почву органическим веществом, так и с выносом большого количества биофильных элементов урожаем культур. Снижение запасов гумуса и азота происходит до определенного уровня, величина которого зависит от почвенно-климатических условий зоны, длительности и продолжительности антропогенного воздействия на почву.
Природное плодородие черноземов обусловлено аккумулирующей деятельностью естественной растительности и микроорганизмов, способствующих концентрированию зольных элементов и азота в виде органических остатков, гумуса и минеральных веществ за длительное время почвообразования.
Иллюстрацией к сказанному служит комплексное изучение эволюции черноземных почв по питательному режиму в Центрально-
Таблица 1. Роль травостоя в балансе азота на типичных черноземах
Участок степи |
Глубина взятия образца, см |
Вес воз-душносухих корней, т/га |
Содержание общего азота, % |
||||
травостой |
корни |
||||||
бобовые |
злаки |
разнотравье |
среднее |
||||
Стрелецкая степь: некосимая |
0-30 |
18.5 |
2.37 |
1.58 |
1.53 |
1.61 |
1.24 |
30-50 |
1.6 |
— |
— |
— |
— |
1.26 |
|
косимая |
0-30 |
16.3 |
2.24 |
1.36 |
1.61 |
1.62 |
1.25 |
30-50 |
1.3 |
— |
— |
— |
— |
1.15 |
|
Попереченская степь некосимая |
0-30 |
14.1 |
2.51 |
1.24 |
1.74 |
1.39 |
1.13 |
30-50 |
1.6 |
— |
— |
— |
— |
— |
Черноземном заповеднике им. В.В. Алехина Стрелецкой степи (Курская обл.) и в Попереченской степи (Пензенская обл.). Полученные данные (Болотина, 1965) дают представление о роли травостоя в азотном режиме степных черноземов (табл. 1).
На некосимой степи азот, остающийся с растительным отмирающим покровом («степной войлок») в количестве 26-35 кг/га, составляет 0.20-0.27% общего азота почвы в слое 0-30 см.
Поступление азота в целинные черноземы с надземной и корневой массой растительности на некосимой степи составляет 69-85 кг/га в год. Биологическая масса, образующаяся в природных экосистемах, потребляется, перераспределяется и разрушается внутри этих экосистем. Влияние минерального состава растений на почвообразовательный процесс и формирование почвенного плодородия сильно меняется в зависимости от характера растительного покрова и водного режима местности.
Травянистые агроценозы на типичном черноземе характеризуются отношением надземной части фитомассы к массе корней, как 1 : 9; 1 : 12 (Ковда, 1956).
Интенсивный биологический круговорот минеральных веществ под покровом травянистой растительности способствует максимальному накоплению элементов минерального и азотного питания в горизонтах высокогумусовых луговых и черноземных почв.
Таблица 2. Запасы гумуса и азота в черноземах ЦЧП, т/га (Шконде и др., 1974)
Подтип чернозема |
Запасы гумуса |
Запасы азота |
||||
слой, |
см |
|||||
0-20 |
0-100 |
0-160 |
0-20 |
0-100 |
0-160 |
|
Оподзоленный |
120-160 |
410-450 |
430-480 |
6-8 |
16-20 |
18-24 |
Выщелоченный |
130-175 |
480-620 |
450-670 |
7-10 |
18-27 |
22-32 |
Типичный |
160-210 |
650-780 |
720-860 |
8-12 |
23-30 |
26-35 |
Обыкновенный |
130-150 |
490-560 |
550-630 |
7-8 |
17-24 |
21-28 |
Южный |
90-120 |
310-400 |
350-440 |
5-6 |
11-14 |
13-17 |
Накопление в почве гумусовых веществ и азота является важнейшим показателем почвообразовательного процесса и плодородия почв (Фрид и др., 2010), причем между содержанием гумуса и азота существует тесная корреляция. Это связано с тем, что весь почвенный азот (за исключением природно-фиксированного и незначительного поступления с атмосферными осадками) является результатом биологической аккумуляции: около 90% азота почвы находится в органической форме, генетически связанной с гумусом (Королева, 1972; Гамзиков, 1981).
По запасам гумуса и азота черноземы лесостепи и степи имеют существенные различия (табл. 2). Наибольшие запасы гумуса сосредоточены в миграционно-мицелярных (типичных) черноземах, минимальные - в текстурно-карбонатных (южных).
Минерализация гумуса и азота в зональных подтипах чернозема отличается интенсивностью, обусловленной различными гидрологическим и температурным режимами, и прослеживается в общих географических закономерностях. При распашке и длительном сельскохозяйственном использовании целинных и залежных черноземов наблюдается заметное уменьшение содержания гумуса и азота, а также их запасов как в пахотном горизонте, так и в слое 0-50 см (Адерихин и др., 1971).
В агрочерноземах минерализация гумуса и органического азота интенсивно происходит в первые годы освоения, после чего процесс замедляется и стабилизируется на уровне, зависящем от величины антропогенного воздействия. Установлено, что в агрочерноземах наряду с уменьшением общего содержания гумуса, наблюдается абсолютное уменьшение (от веса почвы) всех групп гумусовых веществ (гуминовых и фульвокислот, негидролизуемого остатка). Однако относительное содержание отдельных групп гумусовых веществ в составе гумуса агрочерноземов изменяется незначительно и остается характерным для данного типа почв (Кононова, Бельчикова, 1961; Лаврентьев, 1966; Пономарева, Николаева, 1965).
По данным Болотиной (1950), при распашке черноземов Стрелецкой степи достоверные изменения в содержании гумуса были отмечены для верхней толщи мощностью 40 см, различия по этому показателю для более глубоких почвенных слоев были несущественными .
Азотный фонд зональных подтипов черноземов имеет свои особенности. При длительной распашке и окультуривании черноземов происходит мобилизация устойчивых запасов азота гумуса и фиксированного аммония глинистых минералов. Важнейшим показателем этого процесса является увеличение в корнеобитаемом слое запасов минерального и легкогидролизуемого азота.
В табл. 3 приведены общее содержание и формы азота в подтипах черноземов разного культурного состояния. Сравнительная оценка подвижности азота в пахотном и целинном выщелоченном черноземе Орловской опытной станции (разр. 24 и 26) показала, что в пахотной почве в 3 раза увеличилось содержание минерального азота (с 0.1 до 0.3 т/га) по всему метровому профилю за счет некоторого уменьшения количества трудногидролизуемой (с 5 до 4 т/га) и негидролизуемой фракций (с 21 до 17 т/га).
Значительный интерес представляют данные по формам азота в типичных черноземах, наиболее богатых гумусом и общим азотом. Уникальным объектом для изучения форм азота является типичный тяжелосуглинистый чернозем Центральночерноземного степного заповедника. Здесь целинная почва неко-симой степи (разр. 36) сравнивалась с почвой смежного участка 75-летней пашни (разр. 37). Вследствие слабой окультуренности (возделывание зерновых без внесения удобрений) рассматриваемого чернозема за сравнительно короткий срок сельскохозяйственного использования содержание и запас минерального азота в метровом слое целины и пашни практически не изменились (0.26 и 0.24 т/га). Запас легкогидролизуемого азота в почве пашни был больше на 0.3 т/га, чем под целиной (увеличивался с 1.5 до 1.8 т/га). Количество трудно- и легкогидролизуемого азота проявляло слабовыраженную тенденцию уменьшения в пахотной почве.
Южные черноземы характеризуются сравнительно низкими запасами гумуса и азота из-за высокой минерализации органического вещества и менее выраженной его аккумуляции в профиле почвы. В целинном (разр. 10) и пахотном (разр. 9) южном глинистом черноземе Богучаровского района Воронежской области отмечалось очень низкое содержание минерального и
Таблица 3. Общее содержание и формы азота в черноземах ЦЧП (Шкон-де и др., 1974)
Глубина, см |
Общий азот, % |
Форма азота |
|||||||
минеральный |
легкогидролизуемый |
трудногидролизуемый |
негидролизуемый |
||||||
1 |
2 |
1 |
2 |
1 |
2 |
1 |
2 |
||
Разр. 26. Выщелоченный тяжелосуглинистый чернозем, Орловская |
|||||||||
опытная станция, косимая залежь |
|||||||||
0-20 |
0.37 |
14 |
0.4 |
305 |
8 |
639 |
17 |
2782 |
78 |
0-100 |
- |
- |
(0.1)* |
- |
(2.1) |
- |
(5.0) |
- |
(21.6) |
Разр. 24. Там же, старопашка |
|||||||||
0-20 |
0.34 |
66 |
2.0 |
245 |
7 |
453 |
13 |
2637 |
78 |
0-100 |
- |
- |
(0.3) |
- |
(1.8) |
- |
(4.1) |
- |
(17.1) |
Разр. 36. Типичный |
тяжело суглинистый |
чернозем Центрально- |
|||||||
Черноземный заповедник, некосимая степь, Курская область |
|||||||||
0-20 |
0.37 |
39 |
1.1 |
307 |
8 |
735 |
19 |
2546 |
72 |
0-100 |
- |
- |
(0.26) |
- |
(1.5) |
- |
(4.1) |
- |
(16.4) |
Разр. 37. Там же, пашня |
|||||||||
0-20 |
0.29 |
32 |
1.2 |
258 |
9 |
543 |
19 |
2011 |
71 |
0-100 |
- |
- |
(0.24) |
- |
(1.8) |
- |
(3.7) |
- |
(14.9) |
Разр. 10. Южный глинистый чернозем, Воронежская область, Богучар- |
|||||||||
ский |
район,целина |
||||||||
0-20 |
0.33 |
24 |
0.7 |
180 |
5 |
597 |
18 |
2511 |
76 |
0-100 |
- |
- |
(0.09) |
- |
(1.0) |
- |
(4.2) |
- |
(17.4) |
Разр. 9. Там же, пашня |
|||||||||
0-20 |
0.29 |
24 |
0.9 |
177 |
6 |
735 |
26 |
1991 |
68 |
0-100 |
— |
— |
(0.15) |
— |
(1.1) |
— |
(4.1) |
— |
(16.1) |
Примечание. 1 - мг/кг почвы; 2 - % от общего азота.
* В скобках дано содержание фракций азота в слое 0-100 см, т/га.
легкогидролизуемого азота при высоком уровне трудногидролизуемой фракции. В то же время при сельскохозяйственном использовании южного чернозема запас минерального азота в метровом слое увеличился в 1.5 раза (с 0.09 до 0.15 т/га). При этом запас негидролизуемого азота уменьшился (с 17.4 до 16.1 т/га), что особенно было заметно в верхнем слое (0-20 см).
Следовательно, азотный фонд зональных подтипов чернозема имеет свои особенности. При длительной распашке и окультуривании черноземов происходит мобилизация устойчивых запасов азота гумуса и фиксированного аммония глинистых минералов.
Для изучения форм азота и их динамики в черноземах разного культурного состояния необходимо учитывать минеральный азот, который составляет от 1 до 8-9% от общего его содержания, и представлен нитратами, обменным и необменным аммонием. В целинных черноземах содержание минерального азота меньше, чем в пахотных. По профилю запасы минерального азота постепенно уменьшаются, а его доля по отношению к содержанию общего азота возрастает, особенно в оподзоленных, выщелоченных и типичных черноземах. В обыкновенных и южных черноземах фракция минерального азота менее подвижна по почвенному профилю. В подпочве почти весь минеральный азот представлен фиксированным аммонием.
Запасы необменного (фиксированного) аммония в метровом слое черноземов колеблются от 1.2 до 2.8 т/га. Аммонийная форма имеет большое значение для круговорота азота в земледелии. Запасы обменного аммония в метровом слое черноземов могут достигать 0.1-0.4 т/га. В пределах метрового слоя содержание легкогидролизуемого и минерального азота остается довольно устойчивым, особенно в целинных черноземах.
Содержание нитратного азота может составить 1% и больше от общего количества. Содержание трудногидролизуемого азота (в основном диаминокислот) тесно связано с количеством общего азота в черноземах. Оно составляет обычно 12-28% от общего азота и возрастает до метровой глубины. В состав фракции трудногидролизуемого азота входит часть фиксированного аммония, который прежде входил в состав органических компонентов гумуса. В черноземах количество наиболее стойкой фракции негидро- лизуемого азота достигает 64-81% от общего. Эта категория сохраняет относительную устойчивость. Несмотря на огромные валовые запасы азота в черноземах, обычно 2/3-3/4 его количества, представлено весьма стойкими органическими соединениями в составе гумуса (гумины, битумы, меланины) и фиксированным аммонием (до 8-11% от общего азота).
Для изучения содержания форм азота и их динамики в черноземах разного культурного состояния от целинного до вовлеченного в интенсивное земледелие необходимо проводить раздельный учет нитратного и аммонийного азота в почве, а также разделение последнего на обменные и необменные формы. Определение этих форм азота будет более информативным для выявления (прослеживания) агроэволюции черноземов.
Важным аспектом исследования агроэволюции черноземов является изучение запасов и динамики лабильного органического вещества, источником которого могут быть корневые и пожнивные остатки, а также сидераты (Гребенников, 2012).
ВЫВОДЫ
Анализ собственных экспериментальных и литературных данных о современном состоянии черноземов в физико-географическом аспекте (в рамках типа - подтипа) позволяет сделать следующие выводы:
-
1. Азотный фонд зональных подтипов черноземов имеет свои особенности и характеризуется большой устойчивостью во времени и пространстве. При длительной распашке и окультуривании черноземов происходит мобилизация устойчивых запасов азота гумуса и фиксированного аммония глинистых минералов.
-
2. При длительной распашке черноземов содержание отдельных категорий почвенного азота и соотношение между ними изменяется очень медленно по отношению к исходной целинной почве.
-
3. Оценку валовых запасов гумуса и форм азота, а также сезонной динамики показателей плодородия (особенно мобильных форм гумуса и азота) следует рассматривать как обязательное условие при изучении степени агрогенной трансформации черноземов. Пахотный слой адаптируется к условиям, режимам и процес-
- сам агроэкосистем. Он фактически трансформируется в новый самостоятельный горизонт, не имеющий по своим процессам и свойствам аналогов в естественных почвах и может рассматриваться как результат нового этапа агроэволюции.
Список литературы Гумусное и азотное состояние целинных пахотных черноземов
- Адерихин П.Г., Щербаков А.П., Щеглов Д.И. Влияние сельскохозяйственного освоения и окультуривания почв ЦЧО на содержание подвижного азота в их профиле//Биологические науки. № 6. 1971. С. 115-118.
- Болотина Н.И. Режим питательных веществ в целинных мощных черноземах//Почвоведение. № 7. 1965. С. 61-71.
- Гамзиков Г.П. Азот в земледелии Западной Сибири. М.: Наука, 1981. 239 с.
- Гребенников А. Воспроизводство почвенного плодородия. Сидерация черноземов смешанными агросообществами//Palmarium academic publishing. Saarbrucken, 2012. 396 с.
- Ковда В.А. Минеральный состав растений и почвообразование//Почвоведение. № 1. 1956. С. 6-38.
- Королева И.Е. Запасы и формы азотных соединений в целинных и пахотных черноземах Европейской части СССР. Автореф. дис. … к. с.-х. н. 1972. 43 с.
- Королева И.Е. Определение азота органических соединений почвы//агрохимические методы исследования почв. М.: Наука, 1975. С. 95-96.
- Кононова М.М., Бельчикова Н.П. Ускоренные методы определения состава гумуса минеральных почв//Органическое вещество почвы. М: Наука, 1963. С 228-234.
- Лаврентьев В.В. Изменение содержания и состава гумуса и азота в черноземных почвах Европейской части СССР при их сельскохозяйственном использовании//Агрохимия. № 5. 1966. С.14-25.
- Пономарева В.В., Николаева Т.А. Содержание и состав гумуса в черноземах Стрелецкой степи под различными угодьями//Тр. Центрально-Черноземного заповедника. Вып. 8. 1965. С. 209-235.
- Тюрин И.В. Состав и свойства гумуса черноземов стрелецкой степи//Тр. Центрально-Черноземного заповедника. Вып. 2. 1948. С. 79-102.
- Фрид А.С., Кузнецова И.В., Королева И.Е., Бондарев А.Г., Когут Б.М., Уткаева В.Ф., Азовцева Н.А. Зонально-провинциальные нормативы изменения агрохимических, физико-химических и физических показателей основных пахотных почв Европейской территории России при антропогенных воздействиях. М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева, 2010. 176 с.
- Шконде Э.И., Королева И.Е., Щербаков А.П. Запасы и формы азота в черноземах восточно-европейской фации//Агрохимия. № 10. 1974. С. 28-35.