Влияние минеральных удобрений на содержание легкогидролизуемого азота и нитрификационную способность пахотного чернозема в лесостепи Зауралья

Введение. Азот – один из главных элементов питания, без достаточного количества которого невозможно получить высокие урожаи сельскохозяйственных культур. Именно поэтому наличие этого химического элемента наряду с органическим углеродом лежит в основе плодородия почв. Черноземные почвы хорошо обеспечены общими запасами азота, несмотря на широкую область распространения по земному шару. Наиболее обеспечены черноземы европейской части России, которые содержат до 0,45 % азота [1,2]. В Западной Сибири, по данным Г.П. Гамзи-кова, содержание азота в черноземах может превышать и европейские аналоги [3]. Черноземные почвы юга Тюменской области характеризуются меньшим содержанием общего азота и резко убывающим его распределением в почвенной толще [4]. Однако высокое содержание общего азота не означает наличие в достаточном количестве доступных для растений форм данного элемента. Как показала практика агрохимических обследований земель сельскохозяйственного назначения и многочисленные научные исследования, более 80 % характеризуются дефицитом азота, необходимого для формирования средних урожаев. Из этого следует, что доступный азот для сельскохозяйственных культур в пахотных почвах лесостепной зоны Зауралья находится в первом минимуме [5].

При разработке системы удобрений аграрии столкнулись с проблемой несоответствия обеспеченности растений азотом их фактической продуктивности. Очень часто можно слышать высказывания, что расчетные дозы удобрений на планируемые урожаи не дают точного результата, причем отклонения бывают довольно существенны. Для объяснения этого необходимо понимать, что при расчетах мы руководствуемся фактическим содержанием доступного для растений азота, но не учитываем особенности почв, погоды и агротехники. Наиболее стабильным и близким к фактической обеспеченности растений является легкогидролизуемый азот, который при нитрификации очень быстро переходит из органической части в минеральные вещества.

Исследования легкогидролизуемого азота начали проводиться несколько десятилетий назад и продолжаются до настоящего времени.

Несмотря на сотни краткосрочных исследований и десятки многолетних опытов, мнения ученых разделились. Часть исследователей выявили корреляцию между продуктивностью культур и содержанием легкогидролизуемого азота, что дает возможность оптимизировать систему удобрений [6–8]. Другая группа ученых так и не смогла найти доказательства зависимости между этими показателями [9, 10].

Цель исследований. Изучение содержания легкогидролизуемого азота и нитрификационной способности пахотного чернозема выщелоченного лесостепной зоны Зауралья при внесении возрастающих доз минеральных удобрений на планируемую урожайность зерновых культур.

Объекты и методы исследований. Исследования по влиянию минеральных удобрений на содержание легкогидролизуемого азота и нитри-фикационную способность выполнены на пахотном черноземе выщелоченном в лесостепной зоне Зауралья. На стационаре кафедры почвоведения и агрохимии ГАУ Северного Зауралья, под руководством Г.Д. Притчиной, в 1995 году был заложен опыт, исследования на котором продолжаются и в настоящее время. Опыт представлен трехпольным зернопаровым севооборотом: однолетние травы – яровая пшеница – овес.

Характер действия на изучаемые показатели оценивали в посевах яровой пшеницы в трехкратной повторности. Дозы аммиачной селитры и аммофоса рассчитывали перед посевом методом элементарного баланса. Вносили на планируемые урожайности зерна с учетом текущей нитрификации и начальных запасов питательных веществ в почве в дозах, представленных на рисунке 1. Из-за обеспеченности черноземов Северного Зауралья подвижным калием удобрения, содержащие этот элемент питания, не вносили. В опыте высевалась яровая пшеница сорта Новосибирская 27.

Осенью после уборки предшественника проводили отвальную обработку, весной по физически спелой почве боронование. Внесение удобрений осуществляли вручную с последующей культивацией.

Рис. 1. Дозы удобрений на планируемые урожайности зерна яровой пшеницы (2018–2020 гг.), кг/га д.в.

Содержание потенциально доступного для растений азота (легкогидролизуемого) определяли по методу Корнфилда; нитрификационную способность по методу С.П. Кравкова в лаборатории экологии почв Агробиотехнологического центра ГАУ Северного Зауралья.

Отбор почвы для лабораторных исследований проводили в фазу цветения яровой пшеницы до 40 см послойно с шагом 10 см.

Статистическая обработка результатов была проведена с помощью программы MS Excel и по методике Б.А. Доспехова. Градации по легкогидролизуемому азоту – Г.П. Гамзикова (2000 г.).

Результаты исследований и их обсуждение. На варианте с естественным агрофоном (контроль) содержание легкогидролизуемого азота в слое 0–20 см пахотного чернозема составило 144 мг/кг, что соответствует низкой обеспеченности (табл. 1). В слое 20–40 см данный показатель соответствовал 112 мг/кг почвы. Внесение удобрений на планируемую урожайность 3,0 т/га зерна не оказало достоверного влияния на содержание щелочнорастворимого азота в слое

0-40 см – отклонения были в пределах НСР05. Систематическое применение высоких доз удобрений (NPK на 5,0 и 6,0 т/га) способствовало увеличению содержанию легкогидролизуемого азота в черноземе. В целом по слою 0–40 см изучаемый показатель был соответственно 148 и 143 мг/кг почвы, что на 16 % выше значений контроля. Причиной этого является запашка соломы и пожнивно-корневых остатков с повышенным содержанием общего азота и более быстрой их трансформацией под действием почвенной микрофлоры [11, 12].

Таблица 1

Содержание легкогидролизуемого азота в пахотном черноземе при внесении возрастающих доз минеральных удобрений (2018–2020 гг.), мг/кг почвы

Вариант (фактор А)	Слой почвы (фактор В), см
	0–20	20–40	0–40
Контроль	144	112	128
NPK на 3,0 т/га	147	117	132
NPK на 5,0 т/га	156	141	148
NPK на 6,0 т/га	158	129	143

НСР05 для фактора А = 8 мг/кг; для В = 6

Минеральные удобрения оказали непосредственное влияние на содержание легкогидролизуемого азота не только в слое 0–20 см, но и глубже. На вариантах с высоким агрофоном, где вносили удобрения на планируемые урожаи свыше 3,0 т/га, содержание Nлг было на 26 % выше значений контроля (НСР05=6 мг/кг). На варианте с максимальным агрофоном (NPK на 6,0 т/га) отмечено достоверное уменьшение содержания легкогидролизуемого азота – отклонение составило 12 мг, или 9 % по сравнению с предыдущим вариантом. Причиной этого является стимулирующее действие минеральных удобрений на минерализующую микрофлору [13, 14]. Данный факт указывает на необходимость учета измене- ния активности почвенной биоты при разработке системы удобрений, обеспечивающей расширенное воспроизводство плодородия.

Для выявления корреляции между урожайностью сельскохозяйственных культур и содержанием легкогидролизуемого азота в почве приведены данные по годам (табл. 2). На контроле за 2018–2020 гг. урожайность варьировала в незначительных пределах – от 1,85 до 2,24 т/га. На этом варианте формирование урожая происходило за счет естественного плодородия. Содержание легкогидролизуемого азота в слое 0–40 см в эти годы менялось от 124 до 132 мг/кг, что подтверждает влияние погодных условий на данный показатель.

Таблица 2

Урожайность яровой пшеницы при внесении удобрений и разном содержании легкогидролизуемого азота

Вариант	Урожайность пшеницы, т/га			Легкогидролизуемый азот в слое 0–40 см, мг/кг
	2018 г.	2019 г.	2020 г.	2018 г.	2019 г.	2020 г.
Контроль	1,85	2,04	2,24	124	127	132
NPK на 3,0 т/га	2,88	3,04	3,52	133	124	139
NPK на 5,0 т/га	5,14	5,49	5,17	142	149	153
NPK на 6,0 т/га	5,54	5,07	6,24	151	126	154
НСР 05	0,2	0,2	0,3	7	6	9

Внесение минеральных удобрений в дозе N 40 P 75 обеспечило получение планируемой урожайности 3,0 т/га – варьирование по годам было незначительным – от 2,88 до 3,52 т/га. Однако содержание легкогидролизуемого азота изменялось иначе по сравнению с контролем. В 2018 г. разница между вариантами и контролем стала достаточно достоверна - 9 мг/кг при НСР 05 , равном 7 мг. В 2019 и 2020 гг. отклонения находились в пределах ошибки опыта.

Внесение минеральных удобрений на планируемую урожайность 5,0 т/га обеспечило в годы исследований формирование урожая от 5,14 до 5,49 т/га, что для Северного Зауралья считается отличным результатом даже для черноземных почв. Содержание легкогидролизуемого азота во все годы исследований было достоверно выше контроля и варианта с планируемой урожайностью 3,0 т/га и варьировало в пределах 142–153 мг/кг почвы.

На варианте с максимальным уровнем применения минеральных удобрений (NPK на 6,0 т/га зерна) планируемая урожайность была получена только в 2018 и 2020 гг. Причиной недобора зерна в 2019 г. стали погодные условия вегетационного периода. В этот же год отмечено минимальное среди удобренных вариантов содержание легкогидролизуемого азота – 126 мг/кг почвы в слое 0–40 см. Данные 2018 и 2020 гг. не позволяют однозначно указать на негативное влияние высоких доз минеральных удобрений. Содержание Nлг в эти годы в июле составило 151 и 154 мг/кг почвы соответственно, что оказалось максимальным среди изучаемых вариантов. Анализ урожайности и содержания легкогидролизуемого азота по годам показал присутствие тесной положительной связи между этими показателями – коэффициент корреляции составил 0,8 ед.

Одним из главных биологических показателей почвы считается ее нитрифицирующая способность, которая лежит в основе азотного режима. Этот показатель напрямую связан с количественным составом почвенной микрофлоры и ее активностью. В результате исследований было установлено, что пахотный чернозем, на котором не вносили минеральные удобрения более 20 лет (с 1995 г.), характеризуется минимальной нитрифицирующей способностью. В июле она составляла 12,0 мг/кг почвы, что является очень низким значением для черноземов (рис. 2). Внесение минеральных удобрений на планируемую урожайность 3,0 т/га зерна не оказало существенного влияния на нитрификацию, которая составила 13,3 мг/кг почвы. На вариантах с высоким агрофоном (NPK на 5,0 и 6,0 т/га) нитрифицирующая способность была достоверно выше контроля, достигая 17,2 и 18,1 мг/кг почвы при НСР05, равном 1,1 мг/кг почвы.

Рис. 2. Влияние минеральных удобрений на нитрифицирующую способность пахотного чернозема (2018–2020 гг.) (НСР05=1,1), мг/кг

Корреляционный анализ содержания легкогидролизуемого азота и нитрифицирующей способности показал очень тесную взаимосвязь между ними - коэффициент корреляции составил 0,94 ед. Это дает возможность оптимизировать систему удобрений для сельскохозяйственных культур с учетом почвенно-климатического потенциала региона.

Выводы. Отсутствие минеральных удобрений способствует минимальному накоплению легкогидролизуемого азота в слое 0-40 см пахотного чернозема. Его содержание составляет 128 мг/кг почвы, что соответствует средней обеспеченности. Внесение минеральных удобрений на планируемую урожайность 3,0 т/га не оказывает влияния на содержание легкогидролизуемого азота в черноземе. Интенсивный агрофон, обеспечивающий получение урожая 5,0 т/га зерна и выше , приводит к увеличению содержания легкогидролизуемого азота до 148 мг/кг почвы, что на 16 % выше значений контроля. Накопление данной фракции происходит не только в зоне непосредственного внесения удобрений, но и существенно глубже, вплоть до глубины 40 см.

Урожайность яровой пшеницы взаимосвязана с содержанием легкогидролизуемого азота в слое 0-40 см. Коэффициент корреляции составляет 0,8 ед., что делает возможным использовать данные для расчета доз минеральных удобрений на планируемую урожайность сельскохозяйственных культур.

Установлена тесная корреляционная зависимость между содержанием легкогидролизуемого азота и нитрифицирующей способностью пахотного чернозема. Коэффициент корреляции составляет 0,94 ед., что указывает на возможность проведения регрессионного анализа в системе математического моделирования минерального питания сельскохозяйственных культур.