Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные проблемы азота и методы оценки азотного режима почв 12
Глава 2. Объекты, условия и методика исследований 17
2.1. Характеристика опытов 17
2.2. Климат 21
2.3. Почвы 24
2.4. Анализы и биокинетическая оценка 34
Глава 3. Баланс азота в системе почва - удобрение - растение 37
3.1. Баланс азота удобрений 38
3.2. Кинетическая оценка баланса азота 43
3.3. Индекс доступности азота удобрений 47
Глава 4. Использование растениями азота удобрений 50
4.1. Каштановые почвы 54
4.2. Чернозем южный 62
4.3. Серые лесные почвы 70
4.4. Лугово - черноземные мерзлотные почвы 77
Глава 5. Иммобилизация азота удобрений в почвах 86
5.1. Размеры иммобилизации азота 94
5.2. Активность почвенной микрофлоры 98
5.3. Кинетика процесса иммобилизации азота 107
5.4. Статистические связи иммобилизованного азота 113
5.5. Компенсация выноса азота почв иммобилизованным азотом 116
Глава 6. Трансформация азота удобрений в органическом веществе почв ... 124
6.1. Иммобилизованный азот в органическом веществе почв 125
6.2. Минерализационно - иммобилизационная оборачиваемость азота 129
6.3. Динамика и кинетика распределения почвенного азота 135
6.4. Динамика и кинетика распределения иммобилизованного азота 141
з
6.5. Обогащение органического вещества почв иммобилизованным азотом удобрений 149
6.6. Активная фаза органического вещества почв 151
Глава 7. Азотминерализующий потенциал почв 158
7.1. Каштановая почва 164
7.2. Чернозем южный 169
7.3. Серая лесная почва 173
7.4. Лугово - черноземная мерзлотная почва 177
Глава 8. Диагностика азотминерализующего потенциала почв 183
8.1. Модели с участием биотических и абиотических факторов 184
8.2. Кинетическое участие биотических и абиотических факторов
8.2.1. каштановая почва 191
8.2.2. серая лесная почва 198
8.2.3. луґово-черноземная мерзлотная почва 204
Глава 9. Миграционный пул минерального азота в почвах 212
9.1. Кинетика распределения и миграции нитратного азота почв 215
9.2. Кинетика распределения и миграции нитратного азота удобрений 223
9.3. Кинетика распределения «экстра» - нитратного азота 228
Выводы 233
Предложения производству 237
Литература 238
- Почвы
- Индекс доступности азота удобрений
- Серые лесные почвы
- Статистические связи иммобилизованного азота
Введение к работе
Актуальность. Цикл азота включает разные по химической природе, степени подвижности и скорости оборачиваемости пулы, характер проявления которых под воздействием азотных удобрений в силу полифункционального спектра их действия приводит к изменению информационных, энергетических и обменных связей с разным позитивным и негативным проявлением при определяющей значимости биотических и абиотических факторов (Кореньков,1976; Смирнов,
1977,1982;Гамзиков,1981;Кудеяров,1989;Муравин,1991;Соколов,Семенов,1992;
Лаврова,1992;Кидин,1993;Семенов,1996;Башкин,2004;Семенов и др.,2006,2007;
Кузнецова и др.,2007;Никитишен,2007;Сусьян и др.,2008;Nishio еt al.,2001;De-
lin,Linden,2002;De Vries et al.,2003;Petersen et al.,2005;Olk,2006 и др.).
Исследования по проблеме азота в агроценозах Забайкалья в основном прово-
дились в направлении изучения режима минеральных его форм и эффективнос-
ти азотных удобрений (Абашеева и др.,1983; Ревенский,1985,2005; Чимитдор-
жиева,1990;Абашеева,1992;Лапухин,2000;Батудаев и др.,2004;Меркушева и др.,
2006). Применение 15N на лугово-чернозёмной почве Бурятии позволило получить новую информацию об особенностях баланса и превращениях азота удобрений в условиях криогенеза (Пигарева,1984,2003;Гамзиков и др.,1991).
Использование изотопной метки азота (15N) даёт возможность раскрыть основные закономерности усвоения и внутрипочвенной трансформации азота, а привлечение математического моделирования - определить характер, скорость и направленность процессов, совокупное проявление которых и определяет в итоге состояние азотного режима почв. При этом, важно оценить не только содержание и динамику минерального и органического азота в почвах, но и скорость и время оборачиваемости этих разных по подвижности азотных пулов и фракций в различных почвенных, биологических и экологических условиях.
Соответственно для характеристики цикла азота определяющими выступают не столько количественная, сколько кинетическая составляющая превращений и оборота азотных пулов (Звягинцев и др.,2005;Семенов и др.,2006;Кузнецова и др.,2007 ;Campbell et al.,1984;Bradley,Fyles,1995;Stenger et al.,1995;Whalen еt al.,
2000; Tnnsoutyrot et al.,2000; Thuries et al.,2001; Ghoshal,2002; Kumar et al.,2002;
Pansu,Thuries,2003;Jones et al.,2004;Cookson et al.,2005;Petersen et al.,2005;Janzen
,2006;Вранова и др.,2009). Причем наиболее значимым в этой оценке являются быстро оборачиваемые пулы азота, которые служат чувствительным индикато-
ром изменения азотного состояния почв. Однако, непродолжительное пребыва-
ние азота в минеральной форме и высокая устойчивость медленно оборачивае-
мых фракций органического азота в почвах не позволяют прогнозировать изме-
нение их содержания при помощи традиционных методов оценки.
В этой связи представляется актуальным оценка цикла азота в системе почва - удобрение - растение с приоритетным обоснованием скоростных характеристик превращений, обеспечивающих наряду с количественной оценкой, диагностику азотных пулов по биокинетическим параметрам с прогнозом направленности и характера изменения азотного состояния агроценозов в Забайкалье.
Цель работы. Теоретическое обоснование закономерностей и скорости оборачиваемости основных пулов азота в системе почва - удобрение - растение как концепция биокинетической оценки цикла превращений азота в условиях Забайкалья.
Задачи исследований. 1.Выявить количественные и кинетические параметры баланса азота удобрений (использования растениями, иммобилизация почвой и потери) и внутрипочвенных его превращений;
2. Установить величины и скорость использования азота почв и удобрений зерновыми культурами в зависимости от почвенно-климатических условий;
3. Оценить масштабы и кинетику процессов иммобилизации азота удобрений с определением вклада основных групп почвенных микроорганизмов;
4. Изучить особенности трансформации азота удобрений в состав органического вещества почв;
5. Дать оценку азотминерализующему потенциалу почв в зависимости от биотических и абиотических факторов;
6. Раскрыть и оценить с экологического позиций панораму миграционного пула минерального азота почв и удобрений в агроценозах Забайкалья.
Защищаемые положения. 1. Теоретическое обоснование количественных и кинетических параметров баланса азота в системе почва - удобрение - растение, определяющих азотный режим почв и эффективность азотных удобрений.
2. Закономерности процессов минерализации и иммобилизации азота почв и удобрений в качестве ключевых параметров биоцикла азота сезонномерзлотных и мерзлотных почв.
3. Количественные и скоростные особенности использования и внутрипочвенных превращений азота в системе почва - удобрение - растение, обусловленные уровнем проявления биотических и абиотических факторов.
4. Панорама миграционного пула азота в профиле сезонномерзлотных и мерзлотных почв, отражающая специфику его функционирования.
Научная новизна. Впервые для сезонномерзлотных и мерзлотных почв Забайкалья с применением 15N разработана концепция агрохимического обоснования основных закономерностей цикла азота с оценкой количественных и кинетических параметров азотного режима почв и экологически безопасного применения удобрений.
Впервые описаны количественные и кинетические составляющие баланса азота в системе почва - удобрение - растение, на основе которых доказано, что положительное сальдо определяется высокой константой (k) скорости усвоения и иммобилизации, величины которых в свою очередь обеспечиваются большей по модулю константой (k) скорости снижения содержания азота удобрений. Дана оценка наиболее напряженным статьям баланса азота с ранжированием индекса его доступности в почвах сезонномерзлотного и мерзлотного ряда.
Установлены количественные и скоростные закономерности усвоения азота почв и удобрений в соответствии с биологическими особенностями растений, выявлены величины коэффициентов использования азота изотопным и разностным методами и предложены модели корректировки показателей последнего.
Показано, что процесс иммобилизации азота удобрений является ключевым в биоцикле элемента, обеспечивающим компенсацию выноса растениями почвенного азота. Высокая иммобилизация азота удобрений в почвах связана с усилением кинетической активности почвенной микрофлоры. С помощью 15N установлены запасы азота в «активной» фазе органического вещества и выявлена его роль во внутрипочвенном цикле сезонномерзлотных и мерзлотных почв. Впервые представлена панорама распределения иммобилизованного азота удобрений по фракциям гумусовых веществ с кинетикой его участия в процессах синтеза, минерализации и обогащения органического вещества.
Установлены количественные и скоростные параметры азотминерализующего потенциала сезонномерзлотных и мерзлотных почв с участием микрофлоры и гидротермических показателей. Доказано, что мерзлотный характер функционирования почв значительно ограничивает минерализацию и оборачиваемость почвенного азота в цикле внутрипочвенных превращений, характеризуя их способность поддерживать гомеостаз.
Выявлено, что азотные удобрения активизируют микробную сукцессию в почвах, которая выражается в усилении активности микроорганизмов, изменении направленности и оборачиваемости внутрипочвенных превращений азота под воздействием внешних возмущающих факторов. Выявлена приуроченность развития грибов (r - стратеги) к начальным этапам сукцессии с увеличением и доминированием активности актиномицетов (К - стратеги) на поздних стадиях.
Впервые для биокинетической характеристики цикла азота разработаны интегральные критерии в виде констант (k) скорости усвоения и внутрипочвенных превращений азота удобрений, участия почвенной микрофлоры в кинетике минерализации органического азота почв, которые служат обобщающим знаменателем в оценке оборачиваемости основных азотных пулов и значимости в этом биотических и абиотических факторов. Подобная оценка дает возможность подойти к разрешению проблем общей регуляции превращений азота в системе почва - удобрение - растение с учетом особенностей протекания микробной сукцессии в почвах с различным состоянием азотного фонда и режимных процессов. Экспоненциальный характер зависимостей характеризует наличие в цикле азота очень возбудимых процессов формирования минерального, поглотительного и ассимиляционного пулов с разными кинетическими параметрами.
Получены новые данные по миграционному пулу азота в почвах, свидетельствующие о возможности экологически безопасного применения азотных удобрений на сельскохозяйственной территории бассейна озера Байкал с оценкой размеров, глубины и характера распределения нитратного азота почв и удобрений в профиле сезонномерзлотных и мерзлотных почв.
Практическая значимость и реализация результатов. Результаты служат теоретической основой в разработке критериев оценки агроэкологической и агроэкономической эффективности внесения азотных удобрений, совершенствования практики их применения и диагностики азотного режима почв. Модели по усвоению, превращению и миграции азота почв и удобрений позволяют осуществлять прогноз и мониторинг азотного режима почв. Предложен способ корректировки разностного коэффициента использования азота удобрений для основных почв региона. Разработаны критерии оценки минерализации органического азота в почвах по численности и активности почвенных микроорганизмов и гидротермическим показателям.
Результаты исследований прошли производственную проверку в хозяйствах Бурятии и Забайкальского края, представлены в учебном пособии «Теория и практика применения метода меченых атомов азота в эколого-почвенных исследованиях» (Улан-Удэ, 2007), используются в учебном процессе Бурятской, Иркутской ГСХА и их филиалах по дисциплинам «Агрохимия», «Программирование урожаев» и «Основы растениеводства».
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на всесоюзных, всероссийских, международных и региональных научно - практических конференциях: «Почвенно-агрохимические и экологические проблемы формирования высокопродуктивных агроценозов» (Пущино,1988), «Удобрения и плодородие почв» (Москва,1989), «Агрохимия на пороге XXI века» (Москва,1998), «Микробиология почв и земледелие» (Санкт-Петербург,1998), «Современные проблемы оптимизации минерального питания растений» (Н. Новгород,1998), «Лизиметрические исследования почв» (Москва,1998), «Совершенствование применения удобрений и других средств, обеспечивающих устойчивую продуктивность агроценозов» (Москва,1999), «Лизиметрические исследования в агрохимии, почвоведении, мелиорации и агроэкологии» (Москва, 1999), «Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям» (Москва, 2002), «Агрохимические аспекты повышения продуктивности сельскохозяйственных культур» (Москва,2002), «Гидроморфные почвы - генезис, мелиорация и использование» (Москва,2002), «Сибирские Прянишниковские агрохимические чтения» (Улан-Удэ,2002, Омск,2005, Иркутск,2007), «Плодородие почв, эффективность средств химизации и методы оптимизации питания растений» (Иркутск,2005), «Аграрная наука - сельскохозяйственному производству Сибири, Монголии, Казахстана и Кыргызстана» (Барнаул, 2005), «Адаптивные технологии в современном земледелии Восточной Сибири» (Улан-Удэ, 2005), «Агрохимические приемы повышения плодородия почв и продуктивности сельскохозяйственных культур в адаптивно - ландшафтных системах земледелия» (Москва, 2006), «Состояние и перспективы современных систем земледелия Сибири» (Улан -Удэ, 2007), «Агрохимическая наука - Сибирскому земледелию» (Омск,
2008), «Вавиловские чтения - 2009» (Саратов, 2009), «Роль мелиорации в обеспечении продовольственной и экологической безопасности России» (Москва 2009), «Разнообразие мерзлотных и сезоннопромерзающих почв и их роль в экосистемах» (Улан-Удэ, 2009).
По теме диссертации опубликовано 68 работ, в том числе 9 в изданиях, входящих в список ВАК МО РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав с заключениями, выводов и рекомендаций производству; изложена на 318 страницах, содержит 72 таблицы, 20 рисунков и 20 приложений. Список литературы включает 586 наименований, в т.ч. 234 зарубежные публикации.
Почвы
Однако это будет, скорее, уже частным проявлением известных параметров, чем качественно новый аспект решения азотной проблемы. Как следствие, современные проблемы азота трансформировались из описательной и констатирующей в эколого - функциональную и миграционную, которые обеспечиваются надежными методами исследований, создавая предпосылки для диагностики азотного режима почв с учетом особенностей превращений азота в системе почва - удобрение - растение.
Теоретическим основанием для подобного представления служит тот факт, что все современные отечественные и зарубежные успехи по трансформации азота достигнуты, благодаря детальной характеристике цикла азота (Кудея-рови др.,1986;Башкин,1987 ;Кудеяров,1989;Муравин,1991 ;РуделевД992;Лав-рова,1992;Кидин,1993;Семенов,1996;Никитишен,2003;Савенков,2004;Кузне-цова и др.,2006;Семенов и др.,2007;Сусьян и др.,2008; Blackmer,Green,1995; Jensen, 1996;Matthenws et al.,2000;Cookson et al.,2000;Trinsoutrot et al., 2000; Mitchell et al.,2000;Nishio,2001;Altom et al.,2002;Akasaka et al.,2003;Janzen et al.,2003;Feichtinger et al.,2004;Petersen et al.,2005;Olk,Gregorich,2006). При этом, сочетание традиционных и точных методов оценки (изотопная индикация с тяжелым 15N и обедненным 14N) вкупе с статистическим анализом и математическим моделированием позволили выстроить диагностику ключевых параметров цикла превращений азота для различных режимов. Подобная оценка в Забайкалье, за редким исключением (Пигарева,1984;Гамзиков и др., 1991), остается открытой.
Как следствие, общепризнанная актуальность современных проблем азота на Байкальской природной территории вызывает значительные трудности в отсутствии достоверной информации по особенностям превращений азота. Это выражается в отсутствии истинных показателей участия азота почв и удобрения в создании продукции растений, иммобилизации азота и минерализации азота почв («активная» фаза) для разного состояния азотного их фонда, биологической активности и экологических условий; характера и ди 14 намики распределения азота удобрений в органическом веществе почв с различным гумусовым состоянием и участие в процессах синтеза и минерализации гумусовых веществ; внутрипочвенной миграции азота почв и удобрений; количественных и скоростных критериев минерализации почвенного азота в зависимости от.активности микробного комплекса почв; количественной характеристики приходной и расходной части баланса азота в системе почва-удобрение-растение. Отсутствие этих количественных, качественных и кинетических параметров и определяет в итоге реестр наиболее значимых современных проблем азота в агроландшафтах Забайкалья, а их диагностика и прогноз представляется наиболее притязательной.
При всей актуальности и значимости современных проблем азота в регионе их решение невозможно без привлечения достаточно широкого спектра методов анализа и прогноза азотного режима почв и азотного питания растений, которые в целях стратификации можно сгруппировать в пять кластеров, где в каждом разработаны вполне унифицированные приемы подобной оценки.
Первый - определение доступного азота путем химического анализа почв: легкогидролизуемый (Кононова, 1963;Кононова,Александрова,1973;Андреева и др.,1973) и гидролизуемый азот (Шконде,Королева,1968;СогпАеЫ,1960;Ке-eney,Bremner,1966), минерального азота до посева (Кочергин,1974; Кочергин, Гамзиков,1972) и обменно-поглощенного аммония в почвах (Петербургский, Корчагина,1963;Шконде;Королева,1968) с диагностикой обеспеченности азотом (Кочергин, ГамзиковД972;Гамзиков,1981,2001).
Второй - методы характеризующие биологический процесс минерализации азота почв и их модификации для разных режимов (Петербургский, Никити-шен,1969; Сапожников, 1973; Кудеяров,1985; Бабьева,ЗеноваД989; Гамзиков, 2001 ;Keeney,Bremner, 1966 ;Bremner,Nelson, 1968;Stanford,Legg, 1968 ;Murphy, 1998; Murphy et al.,1999;Rnops,Tilman,2000;Nishio et al.,2001;Follet, 2001).
Третий - методы, отражающие потребность растений в азотном удобрении на основе химического анализа растений в различный период их онтогенеза (Магницкий,1965Д972;БолдыревД970Д972;ЦерлингД978Д990;Минеев,2006; Bowen,Zapata,1991;Hood, 2001) в обосновании проведения подкормок азотом.
Четвертый - метрды оценки доступного растениям азота почвы с помощью стабильного изотопа азота 15N, с применением которого можно установить размеры усвояемого азота почв (величина А или нетто - минерализацию) по формуле M.Fried, L.A.Dean (1952). Наиболее развернутая оценка величины А для почв европейской части России представлена В.Н. Кудеяровым (1985) и в Западной Сибири - Г.П. Гамзиковым (1981), Л.В. Помазкиной (1996) и В.М. Назарюк (2002, 2007). В последние годы этот подход активно используется и зарубежными авторами (Campbell, Paul,1978;Kanda,2000;Rahman,Rashid,2002; Zhang et al.,2002; Li,Han,Cai,2003;Feichtinger, Erhart, Hartl, 2004; Kara - Mitcho et al.,2004; Gianello,Tedesco, 2004).
Пятый- методы, основанные на применении математических подходов в определении азотминерализующего потенциала почв (Stanford, Smith,1972) и кинетических характеристик цикла превращений азота с оценкой скорости и времени их оборачиваемости. При этом как правило используют различные модели (уравнение Михаэлиса-Ментен, DAISY,MIT,CERES, DON, CN-SIM), которые позволяют вычленить кинетические параметры превращений цикла азота (Савич,2003,2004;Семенов и др.,2006,2007;Кузнецова и др.,2006;НапБеп et al.,1991;Hassegawa et al.,1999; Jones et al.,2004; Petersen et al.,2005; Janzen, 2006). Несомненным достоинством этого подхода служит возможность индикации превращений азота по скоростным (к) параметрам, которые характеризуют кинетику постоянно оборачиваемых, легко минерализуемых и быстро стабилизируемых пулов азота, что практически невозможно добиться аналитическими методами. Причем, представление кинетических параметров позволяет осуществлять прогноз и независимую верификацию превращений.
Индекс доступности азота удобрений
Последнее нашло подтверждение в результатах корреляционного анализа. Сильная (г = 0.96 ± 0.17) и статистически значимая (Ц tst) теснота связей усвоения азота удобрений выявлена с осадками и осталась не доказанной 0;ф tst) и слабой (г = 0.63 ± 0.27) с запасами продуктивной влаги в черноземах, подтверждая высокую значимость первых в использовании вносимого азота. Схожая панорама этих зависимостей наблюдалась и на каштановых почвах.
В результате высокой сопряженности этих признаков установлена сильная и статистически значимая (t,j, tst) теснота продуктивности зерновых культур с использованием азота удобрений (г = 0.93 ± 0.14) и поглощением азота почвы (г = 0.96 ± 0.12). При этом высокая (R = 0.948) и доказанная (F,j, Fst) теснота их связей в общей совокупности характеризовала высокую конгломе-ратность продуктивности культур с использованием азота удобрения и почвы. Отсюда, высокий уровень действия азотных удобрений на южных черноземах определялся сильной сопряженностью с усвоением азота удобрений и почвы при значимой тесноте связей с осадками.
Применение изотопной метки азота 15N позволило выявить различия разностного и изотопного коэффициентов использования азота удобрений на этих почвах. Установлено, что у яровой пшеницы и ячменя эти различия практически отсутствовали и оказались выраженными только по овсу (табл.4.4). Следовательно, если для пшеницы и ячменя диагностика азотного питания при внесении азотных удобрений может вполне обеспечиваться разностной оценкой коэффициентов использования азота, то у овса - только по изотопному способу. Это является исключением из установленных параметров усвоения азота удобрений для черноземов европейской части (Смирнов, 1982; Никитишен,1984;Руделев,1992) и Западной Сибири (Гамзиков и др,1985;По-мазкина,1985). Возможно, это вызвано высокой экстремальностью режима увлажнения черноземов Забайкалья (Волковинцер,1978;Куликов и др.Д997
Примечание: дефис - содержание N не определяли. Среди изучаемых зерновых культур наибольшим усвоением азота N удобрений в течение первых десяти дней наблюдений отличался ячмень, размеры которого оказались вдвое выше пшеницы и овса (табл. 4.5). Подобный факт не стал исключением из общепризнанной высокой интенсивности ростовых процессов ячменя и явно замедленным развитием пшеницы и особенно овса на ранних этапах их онтогенеза (Реймерс,1989;Полесская,1999).
Большее усвоение азота удобрений ячменем наблюдалось в течение всего эксперимента и достигало максимальной величины через 50 дней, у пшеницы и овса подобное отмечалось только через 60 дней. По всем признакам оценки поглощение растениями почвенного азота повсеместно, начиная с первого срока наблюдений, превышало использование азота удобрений, независимо от биологических особенностей культур, и было максимальным на 60 день проведения опыта (табл.4.5). В результате этой оценки можно заключить, что различия в биологических особенностях зерновых культур не повлияли на период максимального поглощения растениями азота удобрений и почвы, а наиболее выражено их различия проявились на ранних этапах онтогенеза.
Различия зерновых культур в усвоении азота удобрений на южном черноземе подтвердились кинетическими параметрами, константа скорости (к) которых находились соответственно коэффициентам использования (рис.4). Наибольшая константа (к) скорости использования азота удобрений наблюдалась у овса (к = 0.612 в сутки), несколько ниже у пшеницы (к = 0.544 в сутки) и ячменя (к = 0.518 в сутки). Причем, константа (к) скорости поглощения почвенного азота зерновыми культурами снижалась в аналогичном их ряду: овес (к = 0.609 в сутки) —» пшеница (к = 0.542 в сутки) — ячмень (к = 0.462 в сутки) при сопоставимых величинах.
В итоге наибольшая скоростная константа (к) усвоения азота удобрения овсом сопровождалась и большим коэффициентом его использования, а меньшие величины этих констант (к) по пшенице и ячменю - низкими коэффициентами использования азота удобрений. дни
Кривая и константа (к) скорости усвоения азота удобрений и чернозема южного зерновыми культурами Благодаря N установлено дополнительное участие азота почвы («экстра» -азот) в питании культур, величина которого отличалась высокой неустойчивостью во времени (рис.5). Факт появления «экстра» - азота наблюдался различно под растениями. В черноземе южном в течение первых дней инкубации под пшеницей появление «экстра»- азота не регистрировалось и только через 40 дней отмечается незначительное появление, составляя 4.0 мг. Позднее размеры его участия возросли до 8.9 мг и оставались стабильными до конца эксперимента- 8.1% от общего выноса (табл. 4.5).
В отличие от этих оценок, участие «экстра» - азота этой почвы под ячменем наблюдалось с первых дней и поступательно возрастало во времени, составляя на 20 день -1.8 мг, на 30 день - 3.8 мг, на 50 день - 15.4 мг вплоть до 40.6 мг / сосуд к завершению опыта (табл. 4.5, рис.5). При этом, участие этого источника азотного питания возрастало с 1.4 до 24.6% от общего выноса.
Совершенно иначе складывалось участие «экстра»-азота чернозема южного под растениями овса (рис.5). Появление «экстра» - азота под воздействием азотных удобрений регистрировалось только на 30 день эксперимента (5.5 мг или 10.4% от общего выноса) с резким увеличением до 18.0 мг на 40 день вплоть до 39.1 мг на 50 день или 22.4% от суммарного выноса элемента.
В результате этих оценок, можно заключить, что участие «экстра» - азота чернозема южного в азотном питании зерновых культур различно: для овса и ячменя было наибольшим, а по пшенице - минимальным при средней величине не более 18.4% от общего выноса элемента.
По этим параметрам чернозем южный значительно отличался от каштановой почвы. При этом, общим знаменателем для каштановой почвы и чернозема южного выступал тот факт, что значимость «экстра» - азота почв в питании растений значительно уступала азоту вносимого удобрения и почвенного происхождения. Ранжирование основных источников азотного питания для зерновых культур на типичных почвах сухой степи и степи снижалось в ряду: почвенный азот — азот удобрений — «экстра» - азот почв.
Серые лесные почвы
Причем, если высокая константа активности актиномицетов серых лесных почв (к = 0.165 год _1) обеспечивала адекватную высокую иммобилизацию, то очень слабая у грибов (к = 0.004год _1) оказалась вполне достаточной для этого процесса. Отсюда, высокая активность микроорганизмов не всегда обеспечивает адекватно высокую ассимиляцию вносимого азота. Совершенно иначе складывался характер участия микроорганизмов лугово-черноземной мерзлотной почвы, который отличался меньшей кинетикой (к) роста грибов (Grb) и актиномицетов (Act) по температурам этой почвы (tn): Grb = 85.9e000(wtn -...- (13) Act = 2.10e-ao0(mn І (14) где 0.004 - региональная константа (к) скорости роста микроорганизмов, которая при разной их численности оказалась равной в этих жестких режимах. где 0.0014 и 0.434 - региональная константа (к) активности грибов и актиномицетов. Ответная реакция актиномицетов (к, в год) на поступление азота удобрений значительно выше (к = 0.434), чем грибов (к = 0.001) и среди почв была наибольшей. Как следствие, их участие в создание иммобилизационно-го пула азота мерзлотной почвы складывалось отлично (табл.5.5).
Подобное вызвано тем, что при высокой константе (к) активности актиномицетов (к = 0.434 в год) лугово-черноземной мерзлотной почвы расчетное их участие в процессах иммобилизации азота удобрений оказалось очень незначительным в сравнении с грибной микрофлорой. В этом возможно и состоит противоречие между понятием активности (к) в отношении закрепления азота в мерзлотной почве и долей их участия в этом среди микроорганизмов.
В этом проявлении резонно предположить, что при низком теплоэнергетическом состоянии мерзлотной почвы (Куликов и др.,19974; Бадмаев и др.,2007) именно сукцессия прокариотных микроорганизмов (актиномицетов) в жестких режимах является примером микроорганизмов с ярким выраженной К -стратегией и ростом их активности на более поздних этапах или в период когда участие грибов (г - стратеги) незначительно (Звягинцев и др.,2005). По оценкам авторов, при инициации сукцессии под воздействием удобрений в почве всегда присутствует определенное количество микробных популяций, способных быстро увеличивать активность в отсутствии у других (принцип дублирования), если резко изменяются условия или из трофической цепочки выбивается какое-то звено, как в нашем случае - грибы. Последнее подкрепляется увеличением радиальной скорости (Кг) роста актиномицетов, которая сопоставима с ростом константы (к) активности актиномицетов.
Тем не менее, выявленное увеличение активности (к) актиномицетов в отношении минерального азота удобрения не сопровождается адекватным их участием в его закреплении (табл.5.5). Последнее связано с тем, что в этой расчетной оценке участие грибной микрофлоры мерзлотной почвы в иммобилизации азота удобрений было определяющим и рост константы (к) активности актиномицетов не сопровождался адекватно высоким участием. Возможно, при низком теплоэнергетическом состоянии мерзлотных почв, грибы в силу более раннего участия в процессах превращений азота (г- стратеги) согласно общепризнанной схеме: грибы — бактерии — актиномицеты (Федоров, 1963;Мишустин,1972;Бабьева,Зенова, 1989) полностью ассимилир-руют имеющиеся в почве запасы доступного азота удобрений, обеспечивая, тем самым, значительно меньшие усилия актиномицетов (К - стратеги) в повышении энергетического состояния этих мерзлотных почв.
Резюмируя результативность участия микроорганизмов в процессах иммобилизации азота удобрений в почвах можно заключить, что константа (к) их активности в почвах была выше константы (к) скорости роста (табл.5.6).
Установлено, что в почвах с более высоким потенциальным плодородием усиление кинетической активности микроорганизмов в отношении иммобилизации азота удобрений значительно выше. Ранжирование констант (к) активности актиномицетов в почвах снижалась по модульной величине от лу-гово-черноземной мерзлотной (к = 0.434 год) к серой лесной (к = 0.165 год " ) и каштановой почве (к = 0.129 в год). По грибам существенных различий в константах не выявлено (табл.5.6). Усиление активности (к) актиномицетов в почвах в сравнении с грибами под воздействием азотных удобрений наблюдалось при практически сопоставимых константах скорости их роста. Отсюда, отзывчивость первых на поступление энергетических источников (азот удобрений) оказалась более выраженной, чем грибов, обеспечивая высокое участие в формировании иммобилизационного азотного пула. В этой оценке обращает внимание факт слабой и статистически не доказанной (t tst) тесно 107 ты связей (г) иммобилизации азота в почвах с грибами при сильной и значимой (t,j, tst) тесноте с актиномицетами. Отсюда, высокая иммобилизация азота удобрений в почвах вызвана усилением активности актиномицетов.
Таким образом, процесс иммобилизации азота удобрений в почвах вызван усилением кинетической активности микрофлоры, константа скорости которой превосходила константу скорости их роста. Экспоненциальный характер участия почвенной микрофлоры в иммобилизации азота удобрений указывает на наличие высокой возбудимости процесса.
Статистические связи иммобилизованного азота
По данным G.Stanford, E.Epstein (1974) с уменьшением почвенной влаги процесс минерализации азота в почвах замедляется. Установлено, что для почв разного гранулометрического состава в интервале от ППВ до ВЗ скорость минерализации почвенного азота пропорциональна содержанию воды в процентах к абсолютной массе почв. По оценкам авторов, при нормировании величин минерализации азота (N0) и содержания воды в почвах (% от N0 и содержания воды при ППВ) эти две величины вполне сопоставимы. Однако результаты этих работ не всегда совпадали с данными полученными позднее (Herlihy,Sheehan,1979; Sporl,Ganz,1981; Mitchell et al.,2000; Kumar et al.,2002; Akasaka et al.,2003). При изучении зависимости минерализации азота почв от температуры и влажности хорошее совпадение расчетной и реальной минерализации азота достигнуто только при температурах 15С и влажности почвы близкой к оптимальной (Herlihy, Sheehan,1979). При значительных колебаниях влажности и постепенном увеличении температур почвы с 8 до 13С реальная минерализация азота существенно превышала расчетную. Одной из причин расхождения, авторы связывают с начальным всплеском минерализации при 10- дневной инкубации. Схожие данные в условиях анаэробной инкубации и промыванием пахотного слоя почв через каждые две недели получены К. Kanda (2000). Аналогичная оценка представлена A.E.Kara - Mitcho et al. (2004), где изменения выявлены для интервала температур 5 - 25С.
Показано, что процесс аммонификации и нитрификации не различаются по чувствительности к температурам (Solins et al.,1996;Wang et al.,2004). Подобное стоит несколько особняком, поскольку расходится с мнением других авторов (Stanford,Smith, 1972;Stanford,Frere, Schwaninger,1974;Campbell,Myers, Weier,1981; Rahman,Rashid,2002;Delin,Linden,2002). По S.SporlJ.Ganzs (1981) и K.R.Reddy (1982) для пахотных почв при аэробной инкубации с промыванием почв оптимум температур для аммонификации и нитрификации составляет 50 и 2бС соответственно. В предложенной модели константу скорости (к) аммонификации определяют как функцию абсолютной температуры (Та) по видоизмененному уравнению Аррениуса в виде: In к = 12.629 - 6350.5 / Та, а при температурах более 35С используют приближение к 35С (Stanford, Frere, Sch.waninger,1974). Согласно предложенным моделям константа скорости (к) нитрификации связана с температурой почв (tn,C) в оптимальном (10 tn 35) температурном режиме моделью к = (0.032 tn - 0.12) к35, при дефиците температур (0 гп 10) - к = (0.0105 tn + 0.00095 tn 2) к35 и в случае высоких температур - (35 tn 45) - к = (-0.1 tn + 4.5) к35.
По оценкам ряда авторов при нормировании величин минерализации азота почв и содержания влаги как процент максимальных значений, скорость (у) минерализации аппроксимируется с влажностью почвы (х) в виде полином-ного распределения: у = Ьх + (1- b) х (Campbell,Myers,Weier,1982; Campbell, Jame, Winkleman,1984). Для большинства почв при b = 1 это выражение имеет вид линейной модели, которую ранее наблюдали G. Stanford, Е. Epstein (1974), а в отдельных почвах - описывалась полиномом разного порядка.
Несомненный интерес представляют модели по действию температур почвы (tn,C) и влажности (w,%) на минерализацию (No) азота почвы (Kowalenko, Cameron,1976;Kowalenko,1978). Модель их взаимодействия при изменении влажности (%) и температуры (С) почвы (Cassam, Munns,1980) имеет вид: N0 = - 35.9 - 0.23 х + 3.2у + 0.009 х 2 - 0.061 у 2 + 0.008 ху, где х - температура почвы в интервале 15 - 30С; у - влага в почве в интервале 18 - 34%.
Результаты по влиянию увлажнения и температур на минерализацию азота почв наиболее полно представлены В.Н. Башкиным (1987). Установлено, что отклонение средних температур почвы в интервале 18 - 28С учитывается с коэффициентом равным 0.2 на каждый градус, а отклонение влажности от интервала 40- 80% ППВ с коэффициентом 0.023 на каждый процент ППВ, а в годы с оптимальным их режимом этим коэффициентом не пользуются.
Схожие данные по кинетике минерализации почвенного азота получены в серой лесной почве и черноземе при разных уровнях влажности (40, 60, 80 и 100% ПВ) и постоянной температуре 30С. Показано, что параметры минерализации органического азота почв определяются уровнем их влажности, максимум которой наблюдался при 60% ПВ, а при 100% ПВ - минимум. Ранжирование почв по этому фактору снижалось в ряду: чернозем выщелоченный (41.7 мг N на кг почвы) — чернозем карбонатный (32.1 мг N / кг) — серая лесная почва (29.0 мг N / кг). Причем, скорость минерализации (кинетика процесса) была выше в первых почвах при 80% ПВ, а в последней - при 40% ПВ. Это подтверждается результатами компостирования черноземов в течение 90 суток в разных режимах увлажнения (40, 60, 80 и 100% НВ) и температур (8, 18 и 28С) (Андриеш и др.,1995). Показано, что в засушливые годы минерализуется 20 -30, среднезасушливые - 50 -60 и во влажные 80 -100 кг азота на га. При этом, оптимальная температура для минерализации органического вещества почвы составляет 28С и при уменьшении до 8С снижалась по нитратному азоту на 36%.
В.Б. Минин (1996) на основе большого фактического материала представил модели минерализации азота дерново-подзолистых почв преимущественно легкого гранулометрического состава в зависимости от погодных условий. По данным автора, фонд потенциально минерализуемых соединений азота составляет 5-6% от общего азота почв. Причем, азотминерализующая их способность была тесно связана с содержанием гумуса и величиной рН.
Таким образом, построение моделей позволяет прогнозировать участие биотических и абиотических факторов в минерализации почвенного азота и выявить кинетические (скоростные) характеристики этого процесса.
