Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Характеристика черноземных почв забайкалья и трансформация азота в почвах (обзор литературы) 7
1.1. Особенности генезиса 7
1.2. Классификация и диагностика черноземов 10
1.3. Водно- физические свойства и теплооборот 15
1.4. Гумус и азотный фонд 18
1.5. Процессы трансформации азота в почвах 20
1.5.1. Иммобилизация азота удобрений 21
1.5.1.1. природа иммобилизованного азота 25
1.5.2. Мобилизация почвенного азота 27
1.5.2.1. природа "экстра" -азота 29
1.6. Использование растениями азота удобрений 32
1.6.1. Использование нитратного и аммонийного азота 33
1.6.2. Факторы влияющие на использование азота удобрений 36
ГЛАВА 2. Объекты, условия и методы исследований 39
2.1. Характеристика опыта и объекты 39
2.2. Анализы и математическая обработка 49
ГЛАВА 3. Результаты исследований 50
3.1. Изменения общего азота почвы 50
3.2. Состав, природа и подвижность органического азота почвы 54
3.2.1. Фракционный состав азота 55
3.2.2. Подвижность органических соединений азота 59
3.3. Использование растениями азота почвы и удобрений 62
3.3.1. Содержание и вынос азота с продукцией 62
3.3.2. Использование азота удобрений 67
3.3.3. Статистическая оценка использования 70
3.4. Минерализация органического азота почвы под воздействием азотных удобрений 74
3.5. Иммобилизация азота удобрений в почве 78
3.6. Баланс азота удобрений в системе почва - растение 80
3.7. Продуктивность зерновых культур и агрономическая
эффективность азотных удобрений 83
3.7.1. Агрономическая эффективность азотных удобрений 89
Выводы 92
Предложения производству 94
Литература
- Классификация и диагностика черноземов
- Иммобилизация азота удобрений
- Анализы и математическая обработка
- Использование растениями азота почвы и удобрений
Введение к работе
Актуальность. Среди пахотных почв Забайкалья черноземные являются одними из самых плодородных и на их долю в настоящее время приходится основная часть пахотных угодий Восточного Забайкалья. Географический ареал распространения этих почв степного массива располагается по внешнему кольцу, окружающему сухостепное ядро, и часто имеет вид изолятов среди каштановых и серых лесных почв (Куликов, Дугаров, Корсунов, 1997). В сочетании с сезонным характером их мерзлотности, генезис и функционирование черноземов во времени и пространстве характеризуется целым рядом особенностей (Ногина, 1964; Важенин, Важенина, 1969; Абашеева, 1992; Цыбжитов и др. 1999; Куликов и др., 1997, 2005; Бадмаев и др. 2007).
Высокая эффективность азотных туков на черноземных почвах Забайкалья, не всегда сопровождается устойчивой и высокой продуктивностью зерновых культур, вариабельность которой очень высокая (Днепровская, 2000; Батудаев, Бохиев, Уланов, 2004). Подобное обусловлено крайне неблагоприятными климатическими ресурсами степи и особенно режимом ее увлажнения и слабой изученностью особенностей использования и превращений азотных удобрений в системе почва - растение, специфика проявления которых не позволяет прогнозировать изменения их плодородия и продуктивности сельскохозяйственных культур с достаточно высокой надежностью. Отсюда, изучение особенностей превращений азота в черноземных почвах при внесении азотных удобрений требует качественно иного подхода, которое обеспечивается в частности применением метода меченых атомов.
В этой связи, применение стабильного изотопа ,5N позволяет значительно расширить представления на состояние азотного фонда черноземных почв и выявить региональные особенности трансформации азота в специфических почвенных режимах с оценкой их сопряженности с продуктивностью зерновых культур.
Актуальность подобных исследований диктуется и тем, что, в настоящее время черноземные почвы, несмотря на потенциально высокое их плодородие, являются наименее изученными в регионе в целом и в отношении азотного их состояния - в частности. Согласно официальным данным на долю черноземных почв в Агинском бурятском автономном округе приходится более 1/3 пахотных угодий, с которых производится 2/3 растениеводческой продукции. Соответственно этому оценка состояния этих почв и продуктивности сельскохозяйственных культур представляла несомненную актуальность и значимость.
Цель исследований заключалась в сопряженном изучении внутрипочвенных превращений азота почвы и удобрений и их использования яровыми зерновыми культурами в условиях Восточного Забайкалья
В задачи исследований входило изучить:
Изменение содержания общего азота почвы во времени и подвижность органических соединений почвенного азота;
Особенности превращений и баланс азота удобрений в системе почва -растение;
Агрономическую эффективность азотных удобрений в виде функции их использования и поглощения почвенного азота.
Защищаемые положения.
1.Состояние азотного фонда черноземной почвы обеспечивается слабой кинетикой процессов минерализации азота почвы, высокой иммобилизацией азота удобрений и присутствием гидролизуемых форм почвенного азота.
2. Внутрипочвенные превращения и использование азота удобрений определяют агрономическую их эффективность.
Научная новизна. Представлена панорама изменения общего азота почвы и кинетика его снижения в различных вариантах оценки их подвижности и дана характеристика природе органических соединений почвенного азота, в т.ч. свободных и связанных аминокислот. С помощью
6 l3N выявлены размеры иммобилизации азота удобрений в почве и значимость этого процесса в поддержании азотного фонда почвы. Установлены истинные коэффициенты использования азота удобрений, в т.ч. «экстра» -азота, и доля их участия в создании товарной продукции зерновых культур. Выявлена высокая сопряженность превращений азота удобрений в системе почва-растение и дана оценка состоянию его баланса. Показано, что агрономическая эффективность азотных удобрений является результатом их внутрипочвенных превращений и использования.
Практическая значимость. Для черноземных почв Забайкалья выявлены потенциальные резервы доступного азота, для диагностики и мониторинга азотного их режима выведена константа скорости снижения общего азота. При разработке систем применения азотных удобрений под зерновые культуры дозу их внесения необходимо корректировать по истинным коэффициентам их использования, для оценки которых выведена модель перехода с разностного определения.
Апробация работы и публикации. Основные материалы диссертации доложены на Международной научно - практической конференции посвященной 50-летию кафедры общего земледелия «Состояние и перспективы современных систем земледелия Сибири» (Улан-Удэ, 2007). По теме диссертации опубликованы 5 печатных работ, 1 из которых в рецензируемом журнале (рекомендованным ВАК) и одна на иностранном языке. В соавторстве издано учебное пособие «Теория и практика применения метода меченых атомов азота в эколого - почвенных исследованиях» допущенное Учебно-методическим объединением (Улан-Удэ, 2007).
Структура и объем диссертации. Диссертация представляет собой рукопись объемом 133 страниц компьютерного текста и содержит 27 таблиц, 13 рисунков и 13 приложений. Состоит из введения, трех глав, выводов и предложений производству. Библиографический список включает 275 источника, в том числе 38 иностранных источников.
Классификация и диагностика черноземов
Анализ материалов по классификации черноземов Забайкалья позволяет заключить, что в этой оценке имелись разные точки зрения.
Одними авторами эти почвы относились к мерзлотным (Уфимцева, 1963; Ногина, 1964), другими - в качестве подтипового признака использовался температурный режим почв (Уфимцева, 1963; Мартынов, 1965; Ишигенов, 1972; Доржготов, Ногина, 1984).
Вторая группа почвоведов номенклатуру и классификацию рассматриваемых почв связывала с однотипным строением почвенного профиля, в сочетании основных наблюдаемых и измеряемых свойств (Макеев, 1959; Соколова, Соколов, 1963; Михайленко, 1967; Таргульян, 1971; Корсунов, Цыбжитов, 1989).
Третья группа исследователей в своих классификациях использовала напочвенный покров (Петров, 1952; Носин, 1963; Смирнов, 1970;). К.А. Уфимцева (1963) предложила называть черноземы Бурятии «восточносибирскими промытыми», выделяя среднемощные, маломощные и солонцеватые.
Однако наиболее полную и расширенную характеристику черноземных почв региона дала Н.А.Ногина (1964), которая выделила четыре подтипа:
Черноземы мучнисто-карбонатные малогумусные (бедные), переходные к каштановым почвам, которые формируются в наиболее засушливой части степей и наиболее распространены в степях юго-восточной части Читинской области. Гумусовый горизонт почв окрашен в теплые коричневые тона, хотя содержание гумуса 4-5%.
Черноземы мучнисто-карбонатные среднегумусные, наиболее распространенный подтип, формирующийся под настоящей степью, где среди данного подтипа черноземов встречаются почвы с признаками солонцеватости, остаточной луговости и карбонатности, и это она объясняет тем, что в прошлом и луговость и солонцеватость почв в них были значительно распространены.
Черноземы малокарбонатные и бескарбонатные, являются представителями луговых степей и степных участков лесостепи и наиболее крупные их массивы находятся в юго-восточной части Читинской области, где преобладают суглинки.
Черноземы елаканов формируются на степных участках среди леса, расположенных на южных склонах, относительно крутых и коротких, при отсутствии значительного притока влаги со стороны. Эти почвы щебнистые, имеют относительно развитый профиль, поверхность их задернована.
Известно, что при разработке классификации почв за основу берется принцип В.В.Докучаева, по которому свойства почв и внешнее их проявление выступают как результат совокупного влияния специфических условий почвообразования. Однако И.П. Герасимов (1976), разработав концепцию об элементарных почвенных процессах (ЭПП) вместо докучаевского положения «факторы - свойства» предложил свое: «свойства - процессы - факторы». Но поскольку свойства почв определяются, прежде всего, факторами почвообразования, то при группировке почв лучше придерживаться такой связи: «факторы - процессы - свойства» (Гаджиев и др., 2002).
На основе этого в типе черноземов степи центральной Азии И.М. Гаджиев и др. (2002) выделяют три подтипа: типичные, обыкновенные и южные.
Черноземы типичные. Характеризуются интенсивным накоплением гумуса, азота и зольных элементов питания растений, неглубоким вымыванием карбонатов, отсутствием текстурной дифференциации профиля. Развиваются в условиях малодефицитного атмосферного увлажнения под злаково-разнотравной растительностью. Преобладают среднемощные среднегумусные разновидности. Вскипание наблюдается в нижней части горизонта АВ или в горизонте В, проявления гипса и легкорастворимых солей отсутствует во всем профиле.
Черноземы обыкновенные развиты под растительными ассоциациями луговой злаково-разнотравной степи. Характеризуются сравнительно рыхлым сложением профиля, постепенным переходом в окраске гумусовых горизонтов и повышенным залеганием карбонатов, которые распылены в виде мицелия. В обыкновенных черноземах минерализация органического вещества протекает интенсивнее, чем в типичных.
Иммобилизация азота удобрений
Исследованиями показано, что при внесении в почву азотных удобрений резко возрастает содержание негидролизуемых и одновременно уменьшается количество легкогидролизуемых органических соединений (Смирнов, 1982; Лаврова, 1992; Руделев, 1992). Такая перегруппировка, по мнению авторов, обусловлена переходом азота удобрений в устойчивые к разложению формы. В то же время, более подвижные легкогидролизуемые органические соединения азота самой почвы подвергаются интенсивной минерализации.
Последующие исследования показали, что азот удобрений входит во все фракции органического вещества почвы, определяемые либо путем ступенчатого кислотного гидролиза, либо по схеме фракционирования гумусовых веществ (Смирнов. 1970, 1977; Андреева, Щеглова, Куренева, 1973; Вуйцик-Войтковяк, Стефаняк, 1975; Кореньков 1973, 1976; Смирнов, Шилова, Асарова, 1977; Сирота, Якоби, 1979; Косарева, Смирнов, 1982; Филипас, 1985; Кудеяров, 1989; Jansson, 1956, 1958; Broadbent, Tyler, 1965; Simpson, Treney, 1967; Legg et al, 1967; Miki, Mori, 1968 и другие).
П.М.Смирнов, Е.И.Шилова (1970) при последовательной обработке почвы 0.5 и 5 н H2S04 в гидролизуемой фракции обнаружили 9 - 17% всего иммобилизованного азота. Остальные 83 - 90% входили в состав негидролизуемых 5н. H2SO4 органических соединений. При внесении соломы и глюкозы содержание негидролизумогоо азота уменьшалось, а гидролизумого - увеличивалось.
По данным М.А.Бобрицкой, Н.Н.Москаленко, Т.А.Бойко (1975), М.А. Бобрицкой и Т.А. Бойко (1977) в дерново-подзолистой почве азот удобрения сосредотачивается в легкогидролизуемой и негидролизуемой фракции, а в темно-серых лесных почвах - в трудногидролизуемой фракции и негидролизуемом остатке. Л.Б.Сирота, Л.М.Якоби (1979) высказали предположение, что включение азота удобрений в легкогидролизуемые и трудногидролизуемые (отгоняемые) фракции происходит за счет физико-химических и ферментативных реакций, минуя микробную плазму, а в трудногидролизуемые (неотгоняемые) - только за счет микроорганизмов.
Д.А. Кореньков, И.А. Лаврова (1974, 1976), И.А.Лаврова (1992) при изучении иммобилизации азота методом фракционирования органического вещества через 20-22 дня после внесения Na15N03 и (l5NH4)2S04 нашли меченый азот во всех выделенных группах и фракциях органического вещества почвы. При этом, в начале опыта большая часть азота удобрений была обнаружена в фульвокислотах и неспецифических гумусовых соединениях. По мере роста и развития растений содержание азота удобрений в фульвокислотах уменьшалось. Количество меченого азота в гуминовых кислотах изменялось незначительно. К концу вегетации большая доля азота удобрений была обнаружена в негидролизуемых соединениях -гуминах.
В более поздних работах этих же авторов (Лаврова, Филимонов, 1976; Кореньков, Лаврова, Филимонов, 1978; Лаврова, 1992; Руделев, 1992), а также в исследованиях Д.А.Филимонова и Е.В.Руделева (1977), Г.П.Гамзикова (1979), Е.В.Руделева (1979), В.Н.Кудеярова (1985,1989), F.E.Broadbent (1967), F.Azam, K.A.Malik, M.I. Sajjad, (1985) показано, что в конце вегетационного периода характер распределения азота удобрений в органическом веществе становится идентичным распределению азота самой почвы.
П.М. Смирнов, Е.И. Шилова (1970) считают, что почвенный азот более стабилен и мало изменяется во время вегетации, тогда как иммобилизованный азот удобрений более подвижен и отличается от основной массы органического азота почвы значительно меньшим относительным содержанием негидролизуемого азота и большим -гидролизуемого.
В связи с этим вновь иммобилизованный азот удобрений, по мнению В.Н.Кудеярова (1985, 1989) может быть отнесен к «активной» фазе органического вещества и в органическом веществе различных почв составляет в среднем 28-56% от общего азота.
Важным фактором, определяющим, эффективность азотных удобрений является увеличение минерализации и доступности растениям почвенного азота. Количество дополнительно усвоенного азота ("экстра"- азота) на единицу внесенного в опытах с различными культурами варьирует в широких пределах: от 0.05-0.09 (Дегтярева, 1973; Гамзиков, Кострик, 1979; Помазкина, 1989) до 0.14-0.59 (Турчин и др., 1960; Дегтярева, 1973; Смирнов и др., 1977; Левенец, Разумная, Юрко, 1978; Кудеяров, 1985; Кидин, 1993) и порой достигает 1.00 -1.08 (Дегтярева, 1973).
Исследования показали, что размеры минерализации почвенного азота зависят от доз, форм, способов внесения азотных удобрений, длительности их применения, погодных условий, степени окультуренности почв, активности почвенных микроорганизмов и других условий.
Н.М.Варюшкина (1967), В.В.Замятина (1970), П.М.Смирнов (1970), Л.В.Сирота (1973), Д.А. Кореньков, Е.В. Руделев (1984), В.Н. Кудеяров (1985, 1987), S.LJansson (1956, 1971), F.E.Broadbent, K.B.Tyler (1965), показали, что в случае применения аммонийной формы удобрения растения используют почвенного азота больше, чем при внесении нитратных.
Анализы и математическая обработка
Известно, что основным показателем состояния азотного фонда почвы при его оценке во времени (по годам и сезонам) и пространстве (профиль почв) является содержание общего азота (Петербургский, 1959; Смирнов, 1977, 1982; Гамзиков, 1981; Кудеяров, 1985, 1989; Помазкина, 1985; Башкин, 1987; Руделев, 1989, 1992; Лаврова, 1992; Семенов, 1996; Никитишен, 2002, 2003). При этом изменение его содержания во времени в различных режимах оценки (без удобрений и с удобрениями, без растений и под растениями) отражает способность почвы к мобилизации естественных запасов почвенного азота.
Статистические показатели исходного содержания общего азота в пахотном слое почвы (весна, 2001 год) были типичными для черноземных почв Восточного Забайкалья и в среднем (n = 27) составили 3196.6 ±71.4 мг/кг при незначительной вариабельности (табл. 8).
Содержание общего азота в пахотном слое черноземной почвы снижалось во времени и было различным по вариантам опыта. В отсутствии возмещения его выноса на варианте без удобрений снижение его содержания оказалось наиболее выраженным и в среднем за три года исследований составило 20% исходного и снижалось до 2450.2 ± 57.2 мг / кг при незначительной величине варьирования (табл. 8).
НСР05: 2.237.1; 3. 293.0; 4.281.7; 5. 405.1; 6. 335.5; 7.22.9. Значимое снижение содержания общего азота в пахотном слое черноземной почвы наблюдалось до периода выхода в трубку зерновых культур, что соответствует критическому для питания периоду роста и развития. Последующее снижение общего азота в этой почве оказалось статистически не выявленным и находилось в пределах одной величины (табл. 8). В отличие от этого, на варианте фон+N снижение его содержания оказалось менее выраженным и составляло около 8% от исходного его содержания, составляя осенью 2940.7 ± 41.1 мг/кг. Значимое снижение наблюдалось до критического периода роста и развития растений, а в дальнейшем стабилизировалось, и его содержание оставалось без изменений, но было достоверно выше, чем на контрольном варианте (табл. 8, рис. 6). Следовательно, внесение азотных удобрений способствовало поддержанию азотного фонда черноземной почвы на более высоком уровне по сравнению с контролем, где снижение его содержания отличалось высокими темпами, и было выше по величине. Однако, снижение его содержания в пахотном слое этой почвы за счет выноса с продукцией растений при внесении азотного удобрения (4 OH+N60) полностью не компенсировали эти затраты.
Выявленные закономерности снижения содержания общего азота в этой почве в различных режимах оценки (без удобрений и при внесении минеральных удобрений) представлена на рисунке 6.
Установлено, что независимо от различий в размерах снижения общего азота в черноземной почве по вариантам опыта, характер его изменения во времени аппроксимировался уравнением экспоненты с различными константами (к) скорости. Последние отражали кинетику процесса снижения общего азота в пахотном слое этой почвы.
Благодаря оцифровке сроков отбора образцов, по которым определялось содержание общего азота в черноземе во времени (весна - осень) выведена математико-статистическая модель по оценке этого явления, которая по вариантам опыта описывалась одним характером и имела вид экспоненты: N общий, мг/кг (без удобрений) = 3037.4 e"0039t (1), N общий, мг/кг (фон + N60) = 3167.5 e"0012t (2), где 3037.4 и 3167.5 - константы; е - основание натурального логарифма, t - порядковый номер фактора времени в период май-сентябрь.
На основании этих моделей впервые для черноземных почв Восточного Забайкалья выведена константа скорости этого процесса, которая на варианте без удобрений оказалась значительно выше и составила к = 0.039 сезон"1, а при внесении азотных удобрений (фон+N) была ниже (к = 0.012 сезон 1).
Использование растениями азота почвы и удобрений
Высокая эффективность внесения технического азота под зерновые культуры на различных почвах представлена еще в классических работах Д.Н.Прянишникова (1945, 1963). И в этом отношении внесение азотных удобрений под яровые зерновые культуры на черноземных почвах Забайкалья не являются исключением (Абашеева, 1992; Цыбжитов, Цыбжитов, 1999). По общему мнению, авторов подобное вызвано главным образом неустойчивым увлажнением агроценозов и невысоким содержанием подвижных форм минерального азота (табл. 1).
На фоне специфического состояния азотного фонда черноземной почвы и подвижности органических соединений почвенного азота (табл. 5, 9) внесение азотных удобрений под зерновыми культурами в Забайкалье было высокоэффективным. Внесение сульфата аммония способствовало значимому увеличению продуктивности яровых зерновых культур, как по основной, так и по побочной продукции (табл. 24), независимо от различий в атмосферном и почвенном увлажнении по годам и их биологических особенностей. Показатели, которых в среднем из наблюдаемых составили 30.8 ± 1.5 и 63.0 ± 3.3 г/сосуд соответственно при большей устойчивости (V 16%), чем на варианте без удобрений (рис. 12).
Высокая эффективность внесения минеральных удобрений (фон+N) обоснована по нашему мнению усилением минерального питания растений в результате совокупного действия вносимых туков и усиления минерализации органического азота почвы, а также повышения физиологической устойчивости зерновых культур к дефициту увлажнения в условиях более полноценного питания.
Это нашло подтверждение и в наших исследованиях, где продуктивность на варианте фон + N была не только значимо выше, чем на контроле, но и более устойчивой (табл. 24).
Отметим, что у изучаемых в микрополевом опыте зерновых культур соотношение основной продукции (зерно) к побочной (солома), независимо от их продуктивности, соответствовало известной их оценке (Крам, 1951, 1959; Крам, Останин, 1959), а также современным характеристикам изучаемых сортов (Батоев, Дудникова, Денисенко, 1996; Дудникова, 1996; Парфенова, 1996) и в среднем составило у пшеницы сорта Селенга - 1 : 1.7; ячменя Наран - 1 : 2.0 и овса Баргузин — 1 : 1.9 при незначительной вариабельности этих соотношений.
В результате, можно заключить, что эффективность азотных удобрений обеспечивалась, с одной стороны, высоким азотным фондом (табл. 5) почвы при слабой кинетике минерализационных процессов азота почвы (рис. 8) и высокой иммобилизацией азота (табл. 22, рис. 11), а с другой -подвижностью органических соединений почвенного азота с регистрацией "экстра" - азота (табл. 21, рис. 9) и большим участием азота удобрений в общем его выносе с товарной продукцией зерновых культур (табл. 16).
Известно, что состояние режима увлажнения воздуха и почвы на уровне ее деятельного слоя, наряду с азотным фондом, служат основными лимитирующими факторами, характер и величина проявления которых в период вегетации определяет уровень продуктивности зерновых культур. По мнению целого ряда исследователей (Абашеева и др., 1983; Абашеева, 1992; Ревенский, 2002, 2005; Пигарева, Корсунов, 2004 и др.), это обусловлено ярко выраженным дефицитом атмосферного и почвенного увлажнения в критический период их роста и развития (май-июнь) в сочетании с крайне неравномерным режимом выпадения последних по величине и времени (85% приходится на июль-сентябрь) при ограниченном запасе продуктивной влаги в пахотном слое (табл. 7).
По этим показателям, гидротермическое состояние степи Забайкалья в наших исследованиях не стало исключением и отражало острый дефицит осадков и почвенного увлажнения (рис. 3 - 5). Соответственно этому, оценка сопряженности (г, R) продуктивности культур с абиотическим состоянием в агроценозах представляет несомненный интерес, и значимость последних определяется тем, что до сих пор на черноземах Забайкалья подобное отсутствовала, а их доказательная база была более фактологической. Отсюда, оценка тесноты связей продуктивности зерновых культур в различных режимах увлажнения, засуха - 2001 г., дефицит - 2002 г. и благоприятный 2003 год, позволила выявить значимость абиотических признаков в этом их проявлении (табл. 25).
