Особенности превращения почвенного азота при минимизации обработки черноземов Красноярской лесостепи

Введение. Одним из важнейших факторов, влияющих на продуктивность возделываемых культур, является обработка почвы, в результате которой изменяются физико-химические свойства черноземов, воздушный, водный и питательный режимы [1–3]. Замена традиционной вспашки безотвальной обработкой и уменьшение ее глубины приводят к снижению биологической активности почвы, в особенности интенсивности минерализации органического вещества. В условиях земледельческой части Красноярского края из-за короткого теплого периода регулирование биологических процессов в почве и преодоление пестицидной нагрузки приобретают особое значение. Процессы превращения азота в черноземах заторможены суровыми биоклиматическими условиями, при которых значительная часть азотсодержащих соединений превращается в «мертвый» азотный фонд, исключается из биологического круговорота и питания растений [4]. Освоение почвозащитной системы земледелия на основе минимизации обработки почвы порождает ряд негативных явлений, среди которых особый интерес представляет ухудшение обеспеченности растений азотом.

Цель исследований – выявить влияние минимальных технологий обработки почвы на характер превращения фракционного состава легкогидролизуемых соединений азота и особенности накопления минеральных форм азота.

Объекты и методы. Исследования проведены на производственном опыте ООО «ОПХ

«Дары Малиновки» Сухобузимского района в Красноярской лесостепи. Объект исследований – чернозем обыкновенный среднегумусный среднемощный тяжелосуглинистый на краснобурой глине. В границах производственных посевов заложены реперные участки прямоугольной формы общей площадью 1200 м2 с учетной площадью 600 м2. В пределах каждого участка выделялись три делянки – повторности, площадью 200 м2. Объем выборки n = 12. Трижды за вегетационный сезон отбирались почвенные образцы из слоев 0–10, 10–20 см методом змейки. Схема опыта представлена следующими вариантами: 1. Отвальная (st). 2. Минимальная (дискование). 3. Плоскорезная (культивация).

Отвальную вспашку проводили плугом Gregoire Besson SPLM B9 на глубину 25–27 см, минимальную обработку (поверхностное дискование) – дискатором БДМ-Агро БДМ 6x4П и плоскорезную обработку (культивацию) культиватором Ярославич КБМ-10,8 ПС-4 на глубину 10–12 см. В вегетационный сезон 2017 г. почва вариантов опыта обрабатывалась по типу чистого раннего пара, а в 2018 г. на полевом стационаре был произведен посев яровой пшеницы сорта Новосибирская-31, в 2019 г. – посев ячменя сорта Ача.

Агрометеорологические условия 2017–2019 гг. складывались по-разному (табл. 1). Так, накопление суммы активных температур было значительно выше среднемноголетних значений, а количество осадков, напротив, существенно уступало норме. Это свидетельствовало о засушливости условий, формирующихся в годы наблюдений.

Таблица 1

Год	Месяц					Сумма показателей
	май	июнь	июль	август	сентябрь
Средняя температура воздуха, °С						Сумма активных температур, °С
2017	11,0	20,3	19,5	16,8	8,5	2074
2018	8,1	20,5	18,6	18,3	10,1	2061
2019	9,0	18,7	19,5	18,8	9,9	2047
Норма (1980–2010)	8,7	15,2	17,6	14,8	8,8	1833
Осадки, мм						Сумма осадков, мм
2017	28,0	30,0	79,0	81,0	81,0	299,0
2018	29,0	29,0	33,0	21,0	58,0	170,0
2019	8,3	106,1	45,4	68,9	54,0	274,4
Норма (1980–2010)	50,0	61,0	95,0	78,0	48,0	332,0

Метеорологические показатели в годы наблюдений

Вторая половина лета первого года исследований (2017) характеризовалась большим количеством осадков относительно 2018 г. Начало и середина вегетационного сезона 2018 г. по агрометеорологическим условиям складывались неблагоприятно. По количеству выпавших осадков анализируемый период существенно уступал норме, тогда как температура воздуха превышала средние многолетние значения. В июне 2019 г. осадков выпало на 65 % больше нормы.

Химические и физико-химические показатели получены по общепринятым прописям современных методов [5]. Содержание нитратного азота (N-NO 3 ) определяли по Грандваль-Ляжу в модификации И.Н. Шаркова, аммонийного азота

• (N-NH 4 ) – колориметрически с реактивом Несслера, гидролизуемые формы азота (N лг ) – по Корнфилду [6]. Статистический анализ данных проводился с использованием пакета программ MS Excel.

Результаты и их обсуждение. Наблюдения за динамикой легкогидролизуемых соединений азота в период парования и отсутствия растений при разных способах обработки выявили наличие значимых различий (табл. 2–4). В условиях отвальной вспашки, вероятно, создавался гомогенный пахотный слой, поэтому характер и темп превращения легкогидролизуемых соединений азота обусловливали отсутствие достоверных различий между оцениваемыми слоями почвы.

Таблица 2

Статистические параметры содержания легкогидролизуемых соединений азота в пахотном слое чернозема обыкновенного (n = 12, 1 теор = 2,57), 2017 г.

Глубина, см	Стат. парам.	Вариант
		Отвальная вспашка			Минимальная обработка (дискование)			Плоскорезная обработка (культивация)
		июнь	июль	сентябрь	июнь	июль	сентябрь	июнь	июль	сентябрь
0–10	X±Sx		394	222		299	289		323	321
	V,%		31,1	7,4		10,1	7,7		9,8	21,3
10–20	X±Sx		359	336		361	433		292	443
	V,%		4	7		6,3	13,4		8,8	29,4
	tф		0,66	-17,1 *		-4,1	-6,0		2,64	-2,87

* Здесь и далее: жирным шрифтом выделены достоверные различия.

При смене плуга на дисковые и плоскорезные орудия обнаружена неравнозначная интенсивность минерализации легкоминерализуемого органического вещества, что определило дифференциацию пахотного слоя по содержанию N лг . Достоверное его увеличение наблюдалось в подсеменном слое почвы, обрабатываемой по

Таблица 3

Статистические параметры содержания легкогидролизуемых соединений азота в пахотном слое чернозема обыкновенного (n = 12, Ьеор = 2,57), 2018 г.

минимальной технологии. Использование культиваторов-плоскорезов сопровождалось разно-направленностью превращения органических соединений азота, что приводило в осенний период к компенсации их потерь и заметной аккумуляции в слое почвы 10–20 см.

Глубина, см	Стат. парам.	Вариант
		Отвальная вспашка			Минимальная обработка (дискование)			Плоскорезная обработка (культивация)
		июнь	июль	сентябрь	июнь	июль	сентябрь	июнь	июль	сентябрь
0–10	X±Sx	359	439	343	383	397	347	436	401	476
	V,%	31,7	26,4	38,4	14,1	18,9	25,3	10,3	19,8	14,2
10–20	X±Sx	364	398	366	378	397	435	371	395	319
	V,%	15	16,5	18,5	9,7	22,7	23,8	23	11,1	21,7
	tф	-0,0	0,9	-0,35	0,1	0,0	-1,27	1,2	0,1	4,31

В течение вегетационного сезона 2018 г. под посевами яровой пшеницы существенных различий в дифференциации обрабатываемой толщи по концентрации Nлг не выявлено. В фазу восковой спелости культуры зафиксирован существенный пик содержания Nлг в слое 0–10 см по сравнению со слоем 10–20 см на плоскорезном фоне обработки (табл. 3), что указывает на бо- лее высокий уровень азотминерализующей способности почвы вследствие наиболее благоприятных условий тепло- и влагонакопления. Так, применение плоскорезной культивации способствовало статистически достоверному превышению запасов продуктивной влаги в сравнении с двумя сравниваемыми вариантами [7].

Таблица 4

Статистические параметры содержания легкогидролизуемых соединений азота в пахотном слое чернозема обыкновенного (n = 12, t теор = 2,57), 2019 г.

Глубина, см	Стат. парам.	Вариант
		Отвальная вспашка			Минимальная обработка (дискование)			Плоскорезная обработка (культивация)
		июнь	июль	сентябрь	июнь	июль	сентябрь	июнь	июль	сентябрь
0–20	X±Sx	339	386	403	326	413	460	466	420	443
	V,%	14,7	12,1	13,8	16,5	18,9	10,3	54	23,3	3,6
20–40	X±Sx	363	391	534	302	417	390	359	396	536
	V,%	27,6	10,3	5,4	20,6	8,5	8,1	31,7	4,1	9,2
	tф	-0,5	-0,3	-8,0	0,57	-0,28	3,0	1,82	0,77	-4,8

В почве, занятой ячменем, следовавшим за яровой пшеницей, достоверные максимумы зарегистрированы к концу вегетационного сезона (табл. 4) в нижней части пахотного слоя на фоне вспашки и применения плоскорезных орудий, а на площадках, обрабатываемых дискатором, – в надсеменном слое агрочерноземов.

Таким образом, использование разных способов основной обработки почвы обусловливало неравномерное распределение растительного материала предшествующей культуры в обрабатываемом слое и мобилизацию питательных веществ, однако обеспечивало примерно близкие величины азотминерализующей способности.

Накопление в почве минерального азота определяется запасом в ней легкоминерализуемых (лабильных) органических соединений, а также гидротермическими и другими условиями, определяющими биохимическую напряженность.

Экспериментальные данные (рис. 1–3) свидетельствуют об отсутствии зависимости нитра-тонакопления от способов обработки почвы в первые месяцы перехода на безотвальное рыхление. На фоне вегетации яровой пшеницы значимые отличия наблюдались в надсеменных слоях, а в период роста и развития ячменя изменения обнаруживались в пределах всего пахотного слоя.

За период парования и последующий вегетационный сезон уровень содержания нитратного азота был существенно выше в верхней части пахотного слоя почвы, обрабатываемой культиваторами-плоскорезами. Поверхностная обработка создавала более благоприятные условия для разложения фитомассы полевых культур, что предопределило нивелирование различий в концентрации нитратного азота в 0– 20 см слое почвы.

На безотвальных фонах обеспечивались благоприятные значения пористости и плотности сложения, обуславливая высокую биохимическую активность верхней части обрабатываемого слоя по сравнению с пахотным. Различия в азотминерализующей способности агрочернозема для надсеменной и подсеменной частей свидетельствовало о неодинаковых резервах легкоминерализуемых азотсодержащих соединений в этих слоях почвы.

Несколько иной характер влияния приемов основной обработки почвы на минерализацию органического вещества наблюдали в течение вегетационного сезона 2019 г. Данные рисунков 1–3 иллюстрируют исчерпание легкодоступных для микроорганизмов органических соединений и снижение накопления в почве минерального азота.

Рис. 1. Динамика содержания аммонийного и нитратного азота

в условиях отвальной обработки почвы: А – 0–10; Б – 10–20 см

Рис. 2. Динамика содержания аммонийного

и нитратного азота в условиях минимальной обработки почвы: В – 0–10; Г – 10–20 см

Рис. 3. Динамика содержания аммонийного

и нитратного азота в условиях плоскорезной обработки почвы: Д – 0–10; Е – 10–20 см

Вероятно, даже незначительная утрата старопахотными почвами лабильной фракции органического вещества приводит к резкому снижению скорости процесса минерализации в почве – на 20–50 % [8]. Кроме того, в поверхностном слое почвы соломистые остатки злаковых культур продолжительное время сохраняли широкое соотношение C:N, вследствие чего снижалась интенсивность их разложения [9].

Примечательным фактом наших исследований было весьма значимое преобладание содержания нитратного азота над аммонийным (см. рис. 1–3). Анализ данных выявил тенденцию к накоплению аммонийных соединений азота на фоне безотвальных технологий обработки агрочернозема. Низкие его концентрации в почве вариантов опыта могли быть обусловлены легкоглинистым гранулометрическим составом, определяющим повышенную необменную фиксацию ионов аммония минеральными и органическими коллоидами. Возможно, в связи с избыточной рыхлостью образующиеся аммонийные соединения азота быстро вовлекались в процесс биохимического окисления. Выявлено, что в период вегетации зерновых культур в подсеменном слое (10–20 см) сосредоточивались статистически более значимые концентрации аммонийных соединений азота в сравнении с надсеменным слоем.

Заключение

• 1.    Изучаемые технологии основной обработки агрочерноземов обеспечивали относительно равнозначный уровень азотминерализующей способности.

• 2.    Различия в азотминерализующей способности агрочернозема для надсеменной и подсеменной частей свидетельствовали о неодинаковых резервах легкоминерализуемых азотсодержащих соединений в этих слоях почвы. Нит-ратонакопление под посевами яровой пшеницы значимо отличалось в надсеменных слоях, определяясь способом обработки почвы и фазой развития культуры. При возделывании ячменя изменения обнаруживались в пределах всего пахотного слоя.

• 3.    На фоне безотвальных технологий обработки агрочернозема выявлена тенденция к накоплению аммонийных соединений азота. В период вегетации зерновых культур в подсеменном слое (10–20 см) сосредоточивались статистически более значимые концентрации аммонийных соединений азота в сравнении с надсеменным слоем.

• 4.    Сравниваемые технологии обработки почвы в целом не выявили существенных различий по накоплению минеральных форм азота. При размещении зерновых культур по паровому предшественнику зафиксирован высокий уровень обеспеченности нитратным азотом, а под посевами ячменя после яровой пшеницы наблюдался дефицит этого элемента питания.