Трансформация органического вещества чернозема обыкновенного под действием удобрений

Введение. Трансформация органического вещества почв определяется соотношением процессов минерализации и гумификации. Характерным индикатором агрогенных воздействий на почву является ее гумусное состояние, способное адекватно трансформироваться при изменении условий гумификации [13, 14]. Содержание трансформируемого органического вещества используется в качестве критерия для оценки эффективного плодородия почвы и агрономических качеств гумуса [5–12].

Цель работы состояла в изучении особенностей трансформации органического вещества чернозема обыкновенного под действием удобрений.

Методы исследований. Исследование проведено в 2010–2011 годах в зерновом севообороте в условиях полевого стационара «Заря», расположенного в Красноярской лесостепи. На этой территории в среднем выпадает 350–450 мм осадков в год [2]. Среднегодовая температура воздуха ниже 0 ⁰С (до – 2 ⁰С). По данным государственной метеослужбы, в Емельяновском районе накапливается 1500–1800 активных температур. Продолжительность периода биологической активности варьирует в пределах 90–115 дней. Почвы промерзают на глубину 1,5–3,0 м.

Объекты исследований – почва чернозем обыкновенный среднесуглинистый и яровая пшеница сорт Новосибирская 15.

Почва опытного поля характеризовалась следующим строением профиля: А пах -А-АВ к -В к -С к . В пахотном слое чернозема обыкновенного содержится 7,2 % гумуса; 98 мг P 2 O 5 /кг P 2 O 5 ; 223 мг К 2 О /кг; обменных оснований – 27,9 мг-экв/100 г; рН kcl – 5,7.

Вермикомпост (ВК), используемый в опыте, производят на птицефабрике «Заря» Емельяновского района Красноярского края путем переработки птичьего помета и гидролизного лигнина промышленной популяцией навозных червей Eisenia fоetida. Он характеризуется следующими показателями: рН – 7,2; органическое вещество – 36; N – 1,3; P 2 O 5 – 2,28%; К – 0,82%.

В качестве тестовой культуры для оценки действия удобрений использовали яровую пшеницу Новосибирская 15 – сорт селекции СибНИИРСа, который включен в Госреестр по Красноярскому краю в 4-й и 5-й зонах. Оценку действия удобрений на интенсивность трансформации органического вещества чернозема обыкновенного провели в полевом опыте по следующей схеме: 1. N60P30 (фон) – контроль; 2. Фон + ВК эквивалентно N60; 3. Фон + ВК эквивалентно N120. Повторность опыта 3-кратная, размер опытных делянок 100 м2, их размещение рендомизированное. Вермикомпост вносили однократно весной 2010 года под предпосевную культивацию с заделкой на 12–14 см. Минеральные удобрения применяли ежегодно в виде аммонийной селитры и аммофоса при посеве.

Биологическую активность оценивали по продуцированию углекислого газа абсорбционным методом в модификации И.Н. Шаркова [18]. Суммарное продуцирование углерода в виде С-СО 2 за период наблюдений определяли методом линейного интерполирования. Почвенные образцы отбирали в фазе восковой спелости пшеницы из слоя 0–20 см для определения углерода гумуса (С гум ) по И.В. Тюрину [1] (ГОСТ 26213-84) и углерода подвижного органического вещества (С под ) последовательной экстракцией навески почвы водой (С н2о ) и 0,1 н NaOH (С 0,1н NaOH ). Гуминовые кислоты (С гк ) осаждали H 2 SO 4 . Фульвокислоты (C фк ) находили по разности С 0,1н NaOH и С гк [15]. Содержание валовых N, P, K, рН, сумму обменных оснований, гидролитическую кислотность – методом БИК-спектроскопии (аналитическая система на основе сканера NIR-4250). Нитратный азот определяли дисульфофеноловым методом, подвижный фосфор и обменный калий – по методу Чирикова. Полученные результаты исследования обрабатывали методом дисперсионного анализа [4].

Результаты исследования. Важнейшим показателем, определяющим интенсивность минерализации органического вещества, является скорость продуцирования углекислого газа, которая отражает, прежде всего, эффективное плодородие почвы. Минимальное количество С-СО 2 выделилось на контроле (1360 кг/га), что обусловлено отсутствием свежего органического материала в этом варианте. Внесение верми-компоста в чернозем обыкновенный в дозе эквивалентной N60 усиливает в 3 раза продуцирование СО 2 по сравнению с контрольным вариантом (рис. 1).

кгС-СО2/га

□ N60P30 (фон) - контроль

□ Фон+ВК экв.N60

□ Фон+ВК зкв. N120

Рис. 1. Суммарное продуцирование С-СО 2 из чернозема обыкновенного за вегетационный период при внесении разных доз вермикомпоста

Выявлена зависимость интенсивности продуцирования СО 2 от количества поступившего органического вещества с вермикомпостом: чем выше доза внесения его в почву, тем больше выделяется СО 2 , что согласуется с литературными данными [20]. Удвоение дозы внесения вермикомпоста в почву увеличивает в 4 раза продуцирование СО 2 по сравнению с контролем и в 1,3 раза – с одинарной дозой внесения удобрения.

Значительные количества углекислого газа, выделившегося из удобренных вермикомпостом вариантов опыта, обусловлены большим содержанием в них легкогидролизуемых соединений и высокой интенсивностью минерализационных процессов.

Почва контрольного варианта, согласно системе показателей гумусного состояния, разработанных Гришиной и Орловым [3], характеризовалась высоким содержанием (4160 мг/100 г) углерода гумуса (табл. 1). Внесение вермикомпоста в дозе, эквивалентной N120, увеличивает на статистически значимую величину содержание углерода гумуса в почве. В составе гумуса чернозема обыкновенного преобладают гумусовые вещества, прочно связанные с минеральной частью почвы, называемые стабильным гумусом (88 % от С гум ).

По современным представлениям, основанным на результатах длительных полевых опытов с применением различных агротехнологий трансформации подвержена в большей степени подвижная часть почвенного гумуса [13, 14]. Подвижный гумус представлен углеродом соединений, легко переходящих в растворимые формы (водорастворимые и щелочегидролизуемые соединения). Водорастворимые органические вещества служат «затравочным» материалом для процессов минерализации и гумификации [9, 16, 17, 19]. Рассмотрим влияние различных доз вермикомпоста на подвижную часть гумуса чернозема обыкновенного.

Отметим, что в первый год исследований минимальное количество подвижных соединений образуется на контроле (502 мг/100 г). Достоверно повышается этот показатель только под действием ВК (вариант №3), внесенного в дозе эквивалентной N120, где содержание С под составляет 637 мг/100 г. Это обусловлено большим поступлением органического вещества в этом варианте. Заметим, что в первый год наблюдений в составе подвижного органического вещества преобладают водорастворимые вещества, исключение составил вариант №3, где достоверно преобладают по сравнению с контролем вещества, экстрагируемые 0,1 н щелочью (см. табл. 1). Доля же С под в составе С гум в первый год исследований не изменяется под действием ВК, внесенного в количестве эквивалентном N60. Двойная доза внесения ВК увеличивает этот показатель до 13 %. Тип подвижного гумуса в вариантах №1 и 2 характеризуется как фульватно-гуматный, а в варианте №3 – гуматно-фульватный.

Во второй год исследований в почву вносили только минеральные удобрений. Это повысило в два раза количества С под на контроле и в варианте №2 (Фон+ВК экв.N60) и в 1,75 раза в варианте №3 (Фон+ВК экв. N120). Доля С под возросла до 23–26 % в составе С гум . Отметим, что в составе подвижного органического вещества преобладают водорастворимые соединения, их количество выросло в 2,4 раза на контроле и в 2,3 раза в вариантах №2, 3 по сравнению с предыдущим годом исследований. Их доля от С под составила 65 % на контроле и 61 % в вариантах с ВК (см. табл. 1).

Увеличение количества подвижного органического вещества в черноземе обыкновенном рассматривается как негативное явление, поскольку указывает на деструктивные изменения устойчивых форм гумуса. Полученные результаты согласуются с данными других авторов [14], утверждающих, что увеличение количества С под более 0,5 % усиливает процесс минерализации и приводит к непроизводительным потерям органического вещества. Результатами исследований показано, что под действием только минеральных удобрений тип подвижного гумуса меняется с гуматно-фульватного на фульватный.

Характер трансформации органического вещества чернозема обыкновенного под действием вермикомпоста

Вариант	С гум	С под	C NaOH	C H2O	% С под от С гум	% C NaOH от С под	% C H2O от С под	Cгк/ С фк
	мг/100 г
1. контроль N60P30 (фон)	4160 ± 58	502 ± 33	216 ± 34	286 ± 2	12 23	43 35	57 65	1,3 0,6
	4595 ± 77	1064 ± 27	371 ± 30	693 ± 8
2. (Фон+ВК экв.N60)	4710 ± 18	549 ± 17	254 ± 16	294 ± 1	12 26	46 39	54 61	1,1 0,6
	4355 ± 36	1119 ± 35	440 ± 33	679 ± 3
3. (Фон+ВК экв.N120)	5120 ± 29	637 ± 14	340 ± 16	297 ± 2	13 25	53 39	47 61	0,9 0,4
	4483 ± 92	1116 ± 53	440 ± 53	676 ± 2

Примечание: в числителе – данные за 2010 г., в знаменателе – за 2011г.

Полученные данные свидетельствуют о минерализации гумуса. Происходит уменьшение содержания углерода в стабильной части гумуса до 77 % от С гум по сравнению с первым годом исследований. Это доказывает преобладание процессов минерализации над гумификацией в черноземе обыкновенном под действием минеральных удобрений.

Минимальная урожайность зерна пшеницы сформировалась на контроле и в среднем за 2 года составила 1,55 т/га (рис. 2).

Применение вермикомпоста, внесенного в разных дозах способствовало увеличению зерна пшеницы сорта Новосибирская 15 в 1,4 раза по сравнению с контрольным вариантом.

Рис. 2. Действие удобрений на урожайность зерна пшеницы (средняя за 2 года) по вариантам опыта, т/га: 1) N60P30 (фон) – контроль; 2) Фон+ВК экв.N60; 3) Фон+ВК экв.N120

Выявлены тесные корреляционные связи урожайности зерна пшеницы с выделением углекислого газа (r=0,97) и содержанием С гум (r=0,93), что согласуется с данными других исследователей [7, 11, 21].

Выводы

• 1.    Внесение вермикомпоста в чернозем обыкновенный способствует повышению в 3-4 раза продуцирования СО 2 по сравнению с контрольным вариантом в зависимости от дозы внесения.

• 2.    Установлено достоверное увеличение С гум при использовании дозы ВК эквивалентной N120.

• 3.    Применение только минеральных удобрений приводит к деструктивным изменениям устойчивых форм гумуса.

• 4.    Применение вермикомпоста способствует повышению в 1,4 раза урожайности зерна пшеницы по сравнению с контролем.

• 5.    Выявлены тесные корреляционные связи урожайности зерна пшеницы с выделением углекислого газа (r=0,97) и содержанием С гум (r=0,93)