Трансформация азотсодержащих соединений чернозема выщелоченного в условиях минимизации обработки

Введение. Одним из важнейших показателей почвенного плодородия, лимитирующих продуктивность экосистем, является содержание азота в почве. Черноземы Красноярской лесостепи отличаются высокими запасами общего азота и дефицитом его минеральных форм [1, 2] благодаря жестким метеорологическим условиям региона. Широкое освоение почвозащитной системы земледелия на основе минимизации обработки сопровождается изменением азотного режима. Это требует исследования механизмов и приемов регулирования напряженности биологических процессов в почве.

Цель исследования : оценить содержание и динамику щелочногидролизуемых и минеральных форм азота в условиях минимизации основной обработки чернозема выщелоченного Красноярской лесостепи.

Объекты и методы исследования . Исследования проведены на опытном поле ОАО «Коркиноагропромхимия» Красноярской лесостепи (56º37 ʹ с. ш. и 93 º12 ʹ в. д.). Производственный опыт заложен в 2006 г. на территории землепользования СПК «Шилинское» под руководством д. с.-х. н. Л.Р. Мукиной и И.А. Куприна Период действия почвозащитной технологии к началу наших наблюдений составил семь лет.

В вегетационный сезон 2013 г. отвальная (традиционная) основная обработка состояла из зяблевой вспашки плугом на глубину 20–22 см и весенней культивации. Посев яровой пшеницы в 2013–2014 гг. проводился комбинированным агрегатом – стерневой сеялкой СС-6 с одновременным припосевным внесением нитроаммофоски. Минимальная обработка почвы осуществлялась СКС-3,2. С помощью дисковых гори- зонтальных сошников посевного комплекса проводилась обработка почвы на глубину 4–5 см, посев семян ярового рапса (2013 г.) и яровой пшеницы (2014 г.) – с одновременным внесением нитроаммофоски. Таким образом, схема опыта состояла из следующих вариантов (способов обработки): 1) отвальная (st); 2) минимальная (поверхностное рыхление). На выбранных реперных участках площадью 500 м2 отбирали почвенные образцы из слоев 0–5 и 5– 20 см методом змейки. Объем выборки (n = 15) рассчитывали, исходя из определенной до опыта величины варьирования почвенного плодородия.

Почвенный покров стационара представлен черноземом выщелоченным многогумусным среднемощным легкоглинистым с содержанием гумуса в пахотном слое 8,9 %, нейтральной реакцией среды (рН Н2О = 6,8), высокой суммой обменных оснований и степенью насыщенности основаниями.

Для вегетационного периода 2013 г. температура воздуха была ниже нормы в начале и конце сезона. За теплый период выпало 367 мм осадков. Относительно влажными оказались май и июнь. Дальнейшее увеличение количества осадков происходило в период август-сентябрь. Теплообеспеченность периода вегетации 2014 г. приближалась к норме. Исключение составили май и сентябрь. Количество осадков колебалось в широком диапазоне с тенденцией к превышению средней многолетней нормы. На протяжении большинства месяцев теплого периода 2014 г. увлажнение было несколько выше относительно средней многолетней нормы. Максимальное количество осадков выпало в июле – 89 мм. Согласно Г.Т. Селянинову, величина ГТК за июнь – август составила 1,3.

Химические и физико-химические показатели получены по [3]. Содержание нитратного азота (N-NO3) устанавливали по Грандваль-Ляжу в модификации [4], аммонийного азота (N-NH4) в вытяжке 0,2 н. K2SO4 – с реактивом Несслера. Для извлечения из почвы легко- и трудногидролизуемых соединений азота использованы растворы щелочи разной концентрации: 1 и 6 М NaOH соответственно [5]. Выделяющийся при этом аммиак учитывали микродиффузным методом Корнфилда. Статистический анализ про- водился с использованием программы MS Excel.

Результаты исследования. Технологии основной обработки почвы оказывают существенное влияние на агрофизические параметры и биохимическую напряженность, от которых зависит мобилизация доступных растениям пита- тельных веществ. Полученные нами данные иллюстрируют значительное преобладание среди гидролизуемых компонентов фракции трудногидролизуемого азота. Его превращения указывают на слабое гидролитическое расщепление органического вещества (табл. 1, 2).

Таблица 1

Динамика трудногидролизуемого азота в черноземе выщелоченном (2013 г.), мг/кг

Вариант	Срок определения
	21.05.2013		28.07.2013		2.10.2013
	0–5 см	5–20 см	0–5 см	5–20 см	0–5 см	5–20 см
Отвальная	419	434	304	289	311	308
Минимальная	291	290	375	294	310	292
НСР 05	37	36	35	56	36	24

Таблица 2

Динамика трудногидролизуемого азота в черноземе выщелоченном (2014 г.), мг/кг

Вариант	Срок определения
	25.06.2014		28.07.2014		18.09.2014
	0–5 см	5–20 см	0–5 см	5–20 см	0–5 см	5–20 см
Отвальная	335	331	310	309	262	240
Минимальная	285	278	296	271	290	291
НСР 05	27	24	21	26	24	20

Значимая аккумуляция Nтг при отвальной обработке в мае 2013 г. обусловлена различными факторами. Одной из причин низкой степени минерализации является холодный гидротермический режим почв Красноярской лесостепи [1]. Существенный вклад в разложение соломистого материала зерновых культур, наряду с другими факторами, вносил способ обработки почвы. Отвальная вспашка обеспечивала рыхлое ее сложение – 0,75 г/см3 и создавала условия для интенсивного выхолаживания. Оно, вероятно, способствовало проявлению процессов консервации и «старения» органических коллоидов. Поверхностное рыхление, перемешивая поступившие пожнивные и корневые остатки растений пшеницы с верхним 0–5 см слоем почвы, содействовало смещению пика накопления Nтг на середину сезона. Причем в отдель- ные периоды найдено существенное его преобладание в верхнем 0–5 см слое. Довольно короткий период биохимической активности Сибирского региона ограничивает возможности фракции трудногидролизуемого азота как резерва для накопления его минеральных соединений [6].

Накопление легкогидролизуемых соединений в 0–20 см слое почвы в условиях отвальной вспашки существенно превышало вариант с минимальной обработкой в октябрьский срок. На фоне отвального перемешивания почвы наиболее благоприятные условия для накопления N лг складывались в середине и конце вегетации 2013 г. (табл. 3) и свидетельствовали о «высокой» оценке по шкале обеспеченности растений азотом, предложенной Э.И. Шконде.

Таблица 3

Динамика легкогидролизуемого азота в черноземе выщелоченном (2013 г.), мг/кг

Вариант	Срок определения
	21.05.2013		28.07.2013		2.10.2013
	0–5 см	5–20 см	0–5 см	5–20 см	0–5 см	5–20 см
Отвальная	127	125	205	196	217	223
Минимальная	134	118	190	183	171	162
НСР 05	37	10	18	26	13	22

В условиях менее влажного сезона 2014 г. в пахотном слое почвы содержание N лг указывало на высокую обеспеченность азотом (табл. 4). В течение летнего периода его количество увеличивалось. По-видимому, разложение пожнивнокорневых пшеничных остатков, обогащенных

Таблица 4

Динамика легкогидролизуемого азота в черноземе выщелоченном (2014 г.), мг/кг

трудногидролизуемыми соединениями, и широкое отношение в них углерода к азоту создают, по мнению [7], лучшие предпосылки для образования гумусовых веществ и приводит к накоплению легкогидролизуемых соединений азота.

Вариант	Срок определения
	25.06.2014		28.07.2014		18.09.2014
	0–5 см	5–20 см	0–5 см	5–20 см	0–5 см	5–20 см
Отвальная	261	255	186	193	195	193
Минимальная	179	175	181	173	197	178
НСР 05	17	17	14	14	15	14

В условиях минимальной обработки в течение двух вегетационных сезонов ход распределения азотсодержащих органических соединений почвы свидетельствовал о низкой потребности в удобрениях. С той лишь разницей, что пик накопления Nлг в течение вегетационного сезона 2013 г. зафиксирован в июне, а в 2014 г. – в сентябре. Для надсеменного (0–5 см) слоя почвы характерна наибольшая его концентрация в сравнении с толщей 5–20 см. Динамика Nлг в почве под яровой пшеницей, следовавшей за рапсом, характеризовалась длительным максимумом. Очевидно, наиболее высокие темпы деструкции биомассы рапса, богатого азотом и зольными элементами, обеспечивали высвобождение из разлагающегося материала легкоминерализуемых азотсодержащих соединений. В целом характер этих изменений связан с расположением основной массы свежих органических остатков в почве, обусловленный глубиной заделки растительного материала. Как свидетельствуют исследования [8], дисковые почвообрабатывающие орудия действуют как подземный каток, создавая подошву на глубине хода дисков, яв- ляясь причиной торможения процессов мобилизации питательных веществ. Двухфакторный дисперсионный анализ позволил выявить зависимость содержания различных форм азота от ряда изучаемых факторов. Данные рисунка 1 иллюстрируют значимый вклад в изменчивость гидролизуемых форм азота фактора «обработки», обусловливающего различную интенсивность их минерализации.

Содержание восстановленных соединений азота в условиях отвальной вспашки в течение двух периодов наблюдений в пахотном слое регистрировалось как низкое и очень низкое (табл. 5, 6).

В почве поля, обрабатываемого по типу минимальной технологии, в динамике аммиачного азота наблюдалась тенденция количественного увеличения от весны к осени 2013 г. Их содержание достоверно превышало почву под отвальной обработкой. Гораздо энергичнее эти процессы проходили в поверхностном 0–5 см слое почвы, постепенно ослабляясь с глубиной. В течение следующего вегетационного сезона содержание аммонийного азота в почве под яровой пшеницей не превышало 3,5 мг/кг и соответствовало очень низкому уровню обеспеченности элементом. Исчезновение аммиачного азота в почве вариантов, очевидно, объясняется не только утилизацией его растениями, но и биологическим закреплением элемента микроорганизмами в результате поступления в почву растительной биомассы, бедной азотом. По- добные результаты были получены [9, 10]. В течение следующего этапа наблюдений более благоприятные гидротермические условия усиливали микробиологическую активность, что способствовало окислению аммонийного азота до нитратного (табл. 6).

а 2013 г.

2014 г.

о

в

г

20%

■ Обработки ■ Сроки ■ Взаимодействие ■ Ошибка

Рис. 1. Вклад исследуемых факторов на содержание трудногидролизуемого азота (а, в – 0–5 см; б, г – 5–20 см) и легкогидролизуемого азота (д, ж – 0–5 см; е, з – 5–20 см)

Таблица 5

Динамика поглощенного аммония в черноземе выщелоченном (2013 г.), (мг N-NH 4 ) / кг

Вариант	Срок определения
	21.05.2013		28.07.2013		02.10.2013
	0–5 см	5–20 см	0–5 см	5–20 см	0–5 см	5–20 см
Отвальная	1,6	2,1	2,0	1,8	4,2	4,3
Минимальная	3,9	2,7	7,1	2,3	13,7	7,2
НСР 05	1,4	2,6	2,8	F ф т	4,2	1,6

Анализ полученных результатов обнаружил низкую активность нитрификационных процессов в почве вариантов (табл. 7). Одной из причин угнетения нитратонакопления в первой половине вегетационного сезона 2013 г. являются неблагоприятные гидротермические условия.

Позднее низкое содержание нитратного азота в почве совпадало с периодом активного рос- та колосовых культур, подавления аэрации в результате уплотнения и поглощения кислорода корневой системой однолетних злаков.

Совсем по-иному складывалась динамика нитратного азота в течение следующего вегетационного периода (табл. 8).

Таблица 6

Динамика поглощенного аммония в черноземе выщелоченном (2014 г.), (мг N-NH 4 ) / кг

Вариант	Срок определения
	25.06.2014		28.07.2014		18.09.2014
	0–5 см	5–20 см	0–5 см	5–20 см	0–5 см	5–20 см
Отвальная	1,3	0,9	1,0	0,9	1,0	1,0
Минимальная	1,0	1,0	0,5	1,1	3,5	1,4
НСР 05	0,2	0,2	0,01	0,3	0,5	0,3

Таблица 7

Динамика нитратного азота в черноземе выщелоченном (2013 г.), (мг N-NO 3 ) / кг

Вариант	Срок определения
	21.05.2013		28.07.2013		2.10.2013
	0–5 см	5–20 см	0–5 см	5–20 см	0–5 см	5–20 см
Отвальная	3,3	3,9	4,8	4,0	3,3	4,5
Минимальная	3,1	3,2	2,9	1,5	2,5	1,3
НСР 05	1,4	2,6	F ф < F t	0,9	0,9	1,9

Таблица 8

Динамика нитратного азота в черноземе выщелоченном (2014 г.), (мг N-NO 3 ) / кг

Вариант	Срок определения
	25.06.2014		28.07.2014		18.09.2014
	0–5 см	5–20 см	0–5 см	5–20 см	0–5 см	5–20 см
Отвальная	28,1	20,0	9,8	10,3	6,5	5,6
Минимальная	11,7	7,1	10,6	6,0	7,9	7,5
НСР 05	1,5	3,1	4,9	3,8	F ф т	F ф т

Под влиянием механического перемешивания почвы максимальное его содержание выявлено в первой половине лета для верхней части пахотного слоя в период высокой биологической активности почвы. Количество образовавшегося нитратного азота соответствовало очень высокому уровню. Использование минимальной обработки почвы обусловило значительно меньшее накопление нитратного азота лишь в первой половине вегетации. Надсеменная часть пахотного слоя характеризовалась большими значениями нитратонакопления в сравнении с толщей 5–20 см. Сходные результаты в своих наблюдениях при разных способах обработки старопахотных черноземов Западной Сибири отмечал [11].

Фактора, определяющего колеблемость минеральных форм азота, не выявлено, что, по-видимому, связано с очень высокой их пространственной неоднородностью и низким содержанием в почве (рис. 2).

Величины показателя силы влияния указывают, в большинстве случаев, на роль взаимодействия обработок и сроков. Разложение органического вещества, с которым связана мобилизация минерального азота, по-видимому, определялось колебаниями гидротермических условий и характером превращения легкоминерализуемых соединений в почве по разным фонам основной обработки.

Рис. 2. Вклад исследуемых факторов на содержание аммонийного (а, в – 0–5 см; б, г – 5–20 см) и нитратного азота (д, ж – 0–5 см; е, з – 5–20 см)

Выводы

• 1.    Превращение азота трудногидролизуемых соединений указывает на слабое гидролитическое расщепление органического вещества. Максимумы трудногидролизуемой фракции приходятся на разные сроки и определяются способом основной обработки почвы.

• 2.    Содержание легкогидролизуемых соединений в почве полей, обрабатываемых по типу отвальной вспашки и поверхностного рыхления, характеризуется высокими значениями, но их пики не одновременны.

• 3.    Флуктуации минеральных форм азота обусловлены глубиной обработки почвы и локализацией фитомассы растений в верхней части пахотного слоя.

• 4.    Почвозащитная технология обработки почвы обусловливает смещение активности минерализации азота на более поздние сроки в сравнении с пахотным вариантом.