Статистики и кинетика изменения азотного фонда почвы и урожая зерновых культур под воздействием азота медленнодействующего удобрения

Высокая эффективность внесения азотных удобрений под яровые зерновые культуры от ярко выраженных аридных режимов сухой степи до криоаридных мерзлотных ландшафтов представлена в целой серии фундаментальных работ (Будажапов, 2016; Budazhapov, 2015; Гамзиков, 1981; Кореньков, 1976; Кудеяров, 1989; Семенов, 2015; Смирнов,1982). При известной высокой результативности этих исследований, ряд позиций требуют детализации и расширения познания, а в отдельных случаях — наполнения в аспекте современных подходов к оценке их применения, в т. ч. на территориях с хрупкими почвами (Гамзиков, 1981; Кореньков, 1976; Кудеяров, 1989; Семенов, 2015; Giesseler et al., 2010; Murphy, 2014), в т. ч. бассейна оз. Байкал (Гамзиков, 1981; Кореньков, 1976).

В этой связи, мотивация и результативность исследований, выстроенная на классических и перспективных методиках оценки с использованием методов изотопной индикации (15N) в сочетании с вариационно-статистическим анализом представляется наиболее доверительной к общепризнанному тренду известных уже закономерностей. В конечном итоге это позволяет качественно расширить накопленный массив экспериментального материала и на этой основе корректировать и совершенствовать пласт исследований в этих оценках.

В этом смысле, ранее проведенные исследования, как правило, базировалась на данных с привлечением традиционных легкорастворимых форм азотных удобрений при разовом и трехлетнем внесении (Гамзиков, 1981; Кореньков, 1976; Кудеяров, 1989), реже — систематическом и длительном (Будажапов, 2016; Budazhapov, 2015; Гамзиков, 1981). Причем, оценка медленнодействующих азотных удобрений с пролонгированным высвобождением азота в почве оставалась вне этого поля, при несомненной их значимости для пополнения и поддержания очень низкого и низкого азотного фонда почв. Отсюда, актуальность диагностики изменения азотного фонда почв под влиянием азотных удобрений с разным характером высвобождения азота в силу отличной подвижности и трансформации в почвах с помощью методов изотопной индикации и математического моделирования представляется одним из приоритетных направлений. Современные подходы к азотным удобрениям направленны на более пролонгированное высвобождение азота в почве и адресное участие в пополнении азотного фонда почв и питании растений, благодаря особенностям их поведения в почвенной среде как условие реального повышения высокой эффективности их внесения.

Цель — выявить различия в действии легко- и медленно- растворимых азотных удобрений с разным характером высвобождения азота на пополнение азотного фонда почвы и урожай зерновых культур с применением методов изотопной индикации и математического моделирования.

Объекты и методы. Результаты исследований достигнуты в микрополевом опыте в сосудах без дна (30 х 30 х 40 см) на серой лесной почве с применением меченой 15N соли мочевино-формальдегидного удобрения (Nмфу) с исходным обогащением 58.5-97.2 ат.%15N при содержании общего азота 38-42% с усвояемостью 52%, которую вносили систематически ежегодно весной перед посевом яровых зерновых культур в период 1996-2005 гг. В качестве сравнения вносили легкорастворимые меченые по 15N азотные удобрения в виде сульфата аммония (Na) и натриевой селитры (Nc) с исходным обогащением 28.5-78.8 ат. %15N, которые имели стандартные характеристики и вносили весной ежегодно. По плодородию почва характеризовалась близкой к нейтральной реакцией среды, низ- ким содержанием общего и нитратного азота, средней обеспеченностью подвижным фосфором и обменным калием при содержании гумуса 1.92 ± 0.04%. Почвенные образцы отбирали перед закладкой опыта весной, после внесения меченых 15N удобрений в динамике и осенью после уборки урожая, учет которого проводили в фазе полной спелости растений. Методика закладки, проведения наблюдений, оценка изотопного состава азота 15N общепринятая (Кудеяров, 1989). Статистический анализ проводили по стандартным методика, построение математических моделей — согласно программ Excel. Скоростные изменения азотного фонда почвы и процесса иммобилизации азота 15N удобрений в почве представлены константой (k) скорости согласно экспоненциальной функции. Теория, характер и интерпретация кинетических оценок определяется ранее выдвинутой и реализованной биокинетической концепцией (Будажапов, 2016; Budazhapov, 2015; Kleber et al.; Kogut, Semenov, 2014; Peterson et al., 2005; Semenov, Kogut, 2015).

Результаты и обсуждение. Достоверное увеличение общего азота в почве наблюдалось при с истематическом внесении азотных удобрений, содержание которого во всех вариантах оценки оказалось значимо выше контрольного (без удобрений), особенно при внесении мочевин — формальдегидного удобрения и в среднем составило 0.116 ± 0.06%, достигая в диапазоне доверительных величин 0.127% при относительно высокой устойчивости значений (табл.1).

В ряду азотных удобрений, наименьший эффект в увеличении общего азота в почве от систематического их применения установлен на варианте с внесением натриевой селитры (N- NO 3 ), содержание которого в среднем составило 0.104 ± 0.02% при узком диапазоне доверительных величин и не более 0.108% (табл.1).

Таблица 1

Статистики изменения общего азота в почве при систематическом внесении аммиачной, нитратной и медленнодействующей формы удобрений, %

Вариант опыта		Статистические показатели, 0-20 см (n = 16)
		M ± m	lim	σ	M ± tm	V, %
1.	контроль	0.098 ± 0.01	0.094 — 0.100	0.001	0.095 — 0.099	10.2
2.	РК + N — NH 4	0.111 ± 0.03	0.104 — 0.117	0.003	0.106 — 0.116	2.7
3.	РК + N — NО 3	0.104 ± 0.02	0.101 — 0.109	0.002	0.103 — 0.108	1.9
4.	РК + N -Nмфу	0.116 ± 0.06	0.106 — 0.129	0.007	0.108 — 0.127	6.0

НСР 05 0.004

Среди традиционных легкорастворимых удобрений более значимый отклик на увеличение общего азота в почве выявлен при ежегодном поступлении азота аммиачной формы удобрения (N — NH 4 ), содержание которого достоверно выше варианта с азотом нитратной формы (N — NО 3 ) и в среднем составило 0.111 ± 0.03% с более высокой величиной доверительного интервала — 0.116% (табл.1).

В этой панораме статистических оценок, значимое увеличение общего азота в почве под влиянием систематического внесения мочевин-формальдегидного азотного удобрения (N — Nмфу) обеспечивалось пролонгированным характером высвобождения азота в почве c широким диапозоном лимитов и доверительных границ в отличие от традиционных быстрорастворимых форм (N -NH 4 , N -NО 3 )

азота удобрений. Схожие оценки ранее получены в европейской части России в длительном опыте ЦОС ВИУА (Кореньков, 1976) и результатах зарубежных авторов (Hayes, 2006; Jansen et al., 2012; Jenkinson et al, 2004; Mahieu et al, 2000; Murphy, 2014; Schnitzer et al., 2006). Как следствие, отклик азотного фонда изучаемой почвы на поступление азота аммиачных и нитратных форм удобрений оказался менее позитивным в отличие от случая с длительным высвобождением азота в почве. Подобные данные выявлены в исследованиях европейской части (Кореньков, 1976; Кудеяров, 1989; Смирнов, 1982) и Сибири (Гамзиков, 1981; Кореньков, 1976; Кудеяров, 1989).

Фактологические заключения позитивного воздействия пролонгированного высвобождения азота из медленнодействующей формы удобрения в сравнении с легкорастворимыми формами азотных удобрений на изменение общего азота в почве подтвердились различиями в скоростных их характеристиках (табл.2).

При систематическом внесении медленнодействующей формы азота (N — Nмфу) константа скорости (k) значимого изменения общего азота в почве была в два-три раза ниже в отличие от легкорастворимых форм азота (N — NH 4 и N — NО 3 ) и составила k = 0.010 в сутки (табл.2). При этом, наибольшие кинетические значения выявлены в случае с внесением нитратного азота — k = 0.034 в сутки.

Последнее подтверждает и общепризнанную высокую лабильность N — NО 3 в цикле внутрипочвенной трансформации азота в системе почва — растение (Budazhapov, 2015; Гамзиков, 1981; Кореньков, 1976; Кудеяров, 1989).

Таблица 2

Кинетические параметры изменения общего азота в почве, 0–20 см

Вариант опыта		Характер изменений	Модель изменений	k, в сутки
1.	контроль	линейный, у = а + bt	у = 0.097 + 0.0002 t	–
2.	РК + N – NH 4	экспоненциальный у = а е k t	у = 0.106 е 0.026 t	k = 0.026
3.	РК + N – NО 3		у = 0.102 е 0.034 t	k = 0.034
4.	РК + N – Nмфу		у = 0.104 е 0.010 t	k = 0.010

Примечание. t — время, сутки; е — иррациональное число; k — константа скорости

В отличие от этих характеристик, на контроле (без удобрений) характер этих изменений аппроксимировался линейной зависимостью, отражая стабильное и устойчивое состояние азотного фонда почвы (табл.2). Отсюда, поступление азота удобрений провоцирует изменение энергетического статуса системы и приводит к возбуждению процессов, в т. ч. азотного фонда почвы (Будажапов, 2016; Budazhapov, 2015; An et al., 2015; Giesseler et al., 2010; Hartz et al., 2000; Murphy, 2014). В результате, характер этих изменений подчинялся функции экспоненты с различными кинетическими константами (k, в сутки), ранжирование которых возрастало в ряду изучаемых форм азота: Nмфу (k = 0.010) → Na (k = 0.026) → Nс (k = 0.034). Как следствие, пролонгированный характер высвобождения N — Nмфу с минимальными скоростными параметрами, в отличие от традиционных легкорастворимых форм удобрений (N-NH 4 , N-NО 3 ), обеспечивал достоверное увеличение общего азота в почве (табл. 1).

В цикле превращений азота удобрений иммобилизованный пул азота в почвах служит ближайшим резервом пополнения азотного фонда почв, азотного питания и барьером снижения негативных издержек их применения (Budazhapov, 2015; Гамзиков, 1981; Кореньков, 1976; Смирнов, 1982).

По результатам оценки изотопного состава азота 15N выявлены статистики закрепления азота 15N удобрений почвенной микрофлорой, которые в отличие от легкорастворимых форм азота 15N удобрений оказались наибольшими при ежегодном внесении медленнодействующей формы азота (N-15Nмфу) и в среднем составили 230.5 ± 40.3 мг с высокой величиной варьирования, достигая в доверительном интервале максимального значения — 309.7 мг (табл.3).

Таблица 3

Статистики накопления иммобилизованного азота 15N в почве, мг

Вариант опыта		Статистические показатели, 0-20 см (n = 8)
		M ± m	lim	σ	M ± tm	V, %
1.	РК + N — 15NH 4	123.8 ± 22.1	70.4 — 221.2	54.2	74.9 — 188.4	43.7
2.	РК + N — 15NO 3	86.6 ± 12.6	46.1 — 162.7	30.8	51.8 — 120.4	35.5
3.	РК+ N — 15Nмфу	230.5 ± 40.3	92.9 — 358.2	98.7	105.1 — 309.7	42.8

НСР 05 27.8

Формирование и накопление иммобилизованного потока азота в почве под аммиачной (N — ¹⁵NH 4 ) и нитратной (N — ¹⁵NО 3 ) формой удобрений было в 1.5– 2 раза ниже, чем в случае с мочевин- формальдегидным удобрением (N — ¹⁵Nмфу) и в среднем составило 123.8 ± 22.1 и 86.6 ± 12.6 мг соответственно с высокой вариабельностью и меньшей дисперсией (табл. 3). В этом проявлении оценок, возможности легкорастворимых форм азотных удобрений достоверно уступали медленно-растворимой форме, отражая низкий потенциал пополнения азотного фонда почвы традиционных туков. Схожие результаты в этой трансформации азота удобрений в линейке этих форм азотных удобрений в системе почва — растение выявлено ранее в результатах многолетних исследований (Будажапов, 2016; Гамзиков, 1981; Кудеяров, 1989; Hayes, 2006; Jenkinson et al., 2004).

Выявленные различия в содержании иммобилизованного азота 15N удобрений в почве по формам удобрений (табл.3) проявились и в скоростных параметрах этого процесса, которые оказались также различными и имели специфические характеристики. Наиболее высокие кинетические параметры (k) проявились по азоту медленнодействующей формы удобрения (N – 15Nмфу), где константа (k) скорости накопления иммобилизованного азота 15N удобрений оказалась выше в сравнении с легкорастворимыми формами и достигала k = 0.413 в час (табл.4).

Таблица 4

Кинетика накопления иммобилизованного азота 15N удобрений

Вариант опыта		Характер модели	Модель накопления	k, в час
1.	РК + N – 15NH 4	экспоненциальный у = а е k t	у = 52.7 е 0.367 t	k = 0.367
2.	РК + N – 15NO 3		у = 41.9 е 0.348 t	k = 0.348
3.	РК + N – 15Nмфу		у = 80.4 е 0.413 t	k = 0.413

Примечание. t — время, час; е — иррациональное число; k — константа скорости

Достигнутая панорама скоростных оценок накопления иммобилизованного азота 15N удобрений в почве дает основание для ранжирования изучаемых форм по критерию различной их подвижности по константам (k) скорости (табл. 4).

В этом построении их ранжированный ряд возрастал в ряду: N – ¹⁵NO 3 (k = 0.348 в сутки) → N – ¹⁵NH 4 (k = 0.367 в сутки) → N – ¹⁵Nмфу(k = 0.413 в сутки) и имел обратно пропорциональный порядок их ранжирования в кинетике изменения содержания общего азота в почве (табл.2). Следовательно, пролонгированный характер высвобождения азота медленнодействующей формы азота удобрения с низкими скоростными параметрами обеспечивал существенное увеличение общего (нативного) почвенного азота в сравнении с традиционными формами, а более высокая кинетика накопления иммобилизованного азота удобрений из медленнодействующей формы обеспечивало значимо высокое его пополнение.

Отсюда, характер изменения и пополнения азотного фонда этой почвы под влиянием различных по подвижности форм азотных удобрений имеет схожий характер и направленность с наибольшим эффектом по медленнодействующей форме в сравнении с традиционными легкорастворимыми формами удобрений.

Последнее подтверждает известные ранее результаты позитивного воздействия мочевин-формальдегидного удобрения в отношении азотного фонда почв (Кореньков, 1976; Смирнов, 1982).

На фоне позитивного отклика азотного фонда почвы на внесение мочевин -формальдегидного азотного удобрения в сравнении с легкорастворимыми формами, статистики урожая яровых зерновых культур складывались не столь однозначно, отражая в этом их проявлении комбинацию воздействий целого ряда изучаемых на результативный признак — урожай культур (табл.5).

Таблица 5

Статистики урожая яровых зерновых культур при внесении азота аммиачной, нитратной и медленнодействующей формы удобрения

Параметры оценки		Показатели оценки по вариантам опыта, г / сосуд (n = 12)
		без удобрений	РК + Na	РК + Nc	РК + Nмфу
kJ Д Д Д а д cl	M ± m	43.0 ± 3.2	119.3 ± 9.4	120.8 ± 8.3	112.8 ± 7.3
	lim	31.2 – 64.5	87.0 – 161.0	86.0 – 147.0	86.0 – 147.0
	σ	11.2	32.6	28.8	25.3
	M ± tm	35.9 – 50.0	98.6 – 139.9	102.5 – 139.1	96.7 – 128.9
	V, %	26.0	27.3	23.8	22.4
д	M ± m	73.1 ± 4.1	123.3 ± 7.1	145.0 ± 3.3	135.3 ± 4.6
	lim	56.1 – 90.2	101.0 – 155.0	128.0 – 152.0	121.0 – 157.0
	σ	14.1	24.6	11.4	15.8
	M ± tm	64.1 – 82.1	107.7 – 138.9	137.7 – 152.3	125.2 – 145.4
	V, %	19.3	19.9	7.9	11.6
о о	M ± m	84.1 ± 4.6	147.0 ± 9.2	140.0 ± 9.5	124.3 ± 7.9
	lim	69.4 – 108.5	101.0 – 170.0	93.0 – 168.0	93.0 – 158.0
	σ	16.0	31.9	33.0	27.5
	M ± tm	73.9 – 94.2	126.8 – 167.2	119.1 – 160.9	106.9 – 141.7
	V, %	19.1	21.7	23.5	22.2

НСР 05 ячмень 19.2; овес 14.3; пшеница 15.2

Независимо от формы азотного удобрения, метеоусловий вегетационного периода и обеспеченности почвы подвижными формами азота, их внесение повсеместно обеспечивало значимое увеличение урожая зерновых культур (табл.5). При этом, доказанные различия при внесении медленнодействующей и традици- онных легкорастворимых форм удобрений отсутствовали. Различия проявились лишь в диапазоне предельных (lim) и доверительных (M ± tm) величин при общей для всех форм небольшой величине варьирования. Отсюда, эффективность удобрения с более медленным высвобождением азота (МФУ) по своему проявлению на урожай не уступала традиционным легкорастворимым формам удобрений при более высокой его значимости в поддержании азотного фонда почвы и обеспечения азотного питания растений.

Заключение. По результатам многолетних исследований в микрополевом опыте на серой лесной почве впервые представлена панорама изменения азотного фонда почвы как отклик на систематическое применение мочевино — формальдегидного удобрения с пролонгированным высвобождением азота, эффективность которого на урожай не уступала легкорастворимым формам — сульфат аммония и натриевая селитра. Мотивационным преимуществом этой медленнодействующей формы азотного удобрения служит позитивный эффект поддержания низкого азотного фонда почвы при сопоставимой эффективности на урожайность культур с меньшим риском проявления негативных издержек вследствие пролонгированного высвобождения азота.