Содержание к диссертации
Введение
Глава I Обзор литературы 9
1.1 Воздушные свойства и воздушный режим почв 9
1.1.1 Формы и состав почвенного воздуха 9
1.1.2 «Дыхание» почвы 13
Глава II Особенности трансформации удобрений в различных почвах 15
2.1 Формы и содержание азота в почве 15
2.2. Трансформация соединений азота в почве 16
2.2.1 Аммонификация 17
2.2.2 Нитрификация 19
2.2.3 Денитрификация 22
2.3 Использование элементов питания растениями из почвы и удобрений 28
2.3.1 Использование растениями аммонийного и нитратного азота из разных горизонтов почвы 30
2.3.2 Потери азота из почвы и удобрений 33
2.3.3 Потери азота при вымывании 35
2.3.4 Улетучевание аммиака 36
2.3.5 Иммобилизация азота удобрений в почве 37
2.3.6 Мероприятия по снижению газообразных потерь азота 39
Глава III Объекты и методы исследований 42
3.1 Характеристика объектов исследования 42
3.2 Методы исследований 48
Глава IV Экспериментальная часть 53
4.1 Динамика выделения углекислого газа из различных почв 53
4.2 Динамика выделения закиси азота из разных слоев почв 70
Выводы 85
Список литературы 87
- Формы и состав почвенного воздуха
- Аммонификация
- Потери азота из почвы и удобрений
- Динамика выделения закиси азота из разных слоев почв
Формы и состав почвенного воздуха
В почвах происходит постоянное выделение окислов азота и аммиака в результате процессов нитрификации и денитрификации. Газовые реакции, происходящие в почве, зависят от влажности и температуры, содержания органического и питательных веществ, жизнедеятельности микроорганизмов (Ларионова, Иванникова, 1993). Данные Зборищук (1985) о колебании в содержании углекислого газа в течение вегетационного периода для разных зональных почв, дают представление о колебании концентрации CO2 в почвенном воздухе (приложение А). Из данных следует, что наибольшее содержание углекислого газа в болотных почвах, а наименьшее – в сероземах и черноземе южном. Можно сделать вывод, что главный источник почвенного углекислого газа – это гумус и микроорганизмы.
Содержание CO2 в почве достигает целых процентов (среднее содержание CO2 в атмосфере 0,03%), оптимальное содержание углекислого газа в почвенном воздухе составляет от десятых долей процента до целых процентов (Raich, Potter, 1995). Следовательно, высокое содержание углекислого газа в почве может быть обусловлено энергичным выделением углекислоты из почвы. Это явление Люндегорд назвал «дыханием» почвы.
Многочисленные данные, полученные самыми разными методами, свидетельствуют, о том, что поступление CO2 из почвы в атмосферу изменяется 1-30 кг/га час. (Благодатский, Ларионова, Евдокимов, 1993).
По подсчетам В.Н. Мина в почвенном метровом слое может содержаться 20-100 кг/га CO2, что соизмеримо с выделением CO2 из почвы. Анализируя данные распределения CO2 в почвенном профиле видно, что только часть CO2 выделяется из почвы, другая часть "стекает" в более глубокие слои почвы (идет распределение почвенных газов по их плотности, а плотность CO2 выше, чем у кислорода и азота: 1,9769, 1,42904 и 1,2568 г/л, соответственно).
Оценить динамику других свойств почв помогает динамика параметров газового режима. Однако CO2 оказывает защитное влияние на химизм и биоту почв. Образование CO2 в почве сопровождается изменением химических свойств почв (pH, выпадением и растворением карбонатов, миграцией бикарбонатов, других веществ) (Kowalenko, Ivarson, Cameron, 1978).
В почвенном воздухе по сравнению с атмосферным, может возрастать концентрация метана, сероводорода, окислов азота. Внесение в почву азотных удобрений резко увеличивает поступление в атмосферу аммиака, окислов азота (Самофалова, 2009).
По оценкам Р. Седерлунда и Б. Свенсона (1976) все экосистемы планеты ежедневно выделяют в атмосферу от 1 до 14х106 т азота в виде окислов. Выделение аммиака происходит в основном на влажных кислых почвах (подзолистых, дерново-подзолистых и т.д.). В паровом поле за лето потери составляют от 4 кг/га азота до 8,8 кг/га азота при удобрении почвы 300 кг/га N в виде мочевины. Выделение двуокись азота происходит в дневное время (на свету) практически из всех почв. Интенсивность выделения двуокиси азота составляет 0,1-5,7 г/га час. Внесение удобрений увеличивает поступление аммиака и окислов азота в 2-6 раз. Опыт проведенный Ахарайяром (по Э. Расселу, 1955) показал, что с увеличением анаэробиозиса уменьшается выделение CO2 из почвы, увеличивается выделение метана, и сначала возрастает, а потом снижается выделение водорода.
Почва – динамичный, многофазный биокосный элемент биосферы, который находится в постоянной взаимосвязи с природными водами, атмосферой и геологическими породами. Почвенное «дыхание» является звеном в круговороте углерода и кислорода (Наумов 2003). Под термином почвенное «дыхание» в литературе понимают ритмичный воздухообмен между почвой и атмосферой, происходящей в результате сжатия и расширения почвенного воздуха, суммарное выделение почвой углекислого газа, микробиологическую активность почвы, скорость минерализации почвенного органического вещества (Кудеяров, 1994, 1999; Заварзин, 1993).
Биологическим источником углекислого газа в почве являются подземные органы растений, мелкие почвенные животные и микроорганизмы они же и основные потребители кислорода (Заварзин, 1979). Многочисленные исследования проводились по изучению почвенного дыхания в агроценозах различных сельскохозяйственных культур. По данным Макарова (1952), Rochette, Flanagen, (1997) дыхание подземных органов растений в агроценозах составляет 30-40% от общего почвенного потока углекислого газа. Многочисленные микроорганизмы также вносят большой вклад в «дыхание» почвы (например: в лесных почвах 17-25 мл СО2/м2/ч) (Бызова, 1986). Дать полную количественную характеристику вклада микроорганизмов в суммарное дыхание затруднительно, так как исследования проводятся редко. Обычно их активность включают в общее гетеротрофное дыхание почвы без корней. Поступление углекислого газа в атмосферу за счет дыхания корней составляет 30 % от суммарной эмиссии (Кобак, 1988). На долю гетеротрофных микроорганизмов приходится около 70% эмиссии углекислого газа (Заварзин, 2004). Дыхание представляет собой наиболее выгодный энергетических процесс, но зависит от доступности О2 и доступность его определяется потоком к месту развития организма.
В верхних слоях почвы, где достаточное количество кислорода, процесс разложения растительных остатков происходит быстрее, так как глубоко лежащие горизонты пахотного слоя имеют худшее аэрирование и процессы окисления в них протекают медленнее (Kelliner et. al., 1999).
Многочисленные исследования Xu et. al., (1995), Ruess et. al., (1996); Kelliner et. al., (1999); Maier et. al., (2000) показали, что гетеротрофное «дыхание» почвы дает почти половину углекислого газа по сравнению с «дыханием» почвы вместе с корнями.
Аммонификация
По данным Clark a. Beard, (1960); Aleen a. Lees, (1963); Broadbent a. Clark, (1965); установлено, что потери азота в процессе нитрификации являются следствием разложения нитритов и других промежуточных соединений в почве.
Однако, Yoshida a. Alexander (1970) придерживаются биологической концепции образования N2O при окислении NH4+.
Исследователи Dunfield, Knowles, (1999), Zaman et. al. (2004) считают, что одним из основных источников закиси азота из почв в атмосферу является автотрофная нитрификация.
Жизнедеятельность нитрификаторов требуется присутствия O2, нейтральной или слабощелочной реакции среды и определенных температурных условий. Наиболее интенсивно нитрификация протекает при температуре 25-28С, рН 7,0-8,5, влажности почвы 70-75% от ПВ и содержании O2, близком к атмосферному, 18-21 об.% (Ленгелер, 2005).
Нитратов в черноземных почвах образуется больше, по сравнению с дерново-подзолистыми. Это связано с тем, что черноземные почвы богаче органическим веществом, имеют мощный гумусовый горизонт и благоприятные условия для нитрификации (выше температура, больше нитрифицирующих микроорганизмов и близкую к нейтральной реакцию среды). Дерново-подзолистые почвы содержат мало перегноя и, следовательно, условия для нитрификации менее благоприятные (кислая реакция среды, плохая аэрация, избыточное увлажнение, низкие температуры). Особенно медленно нитрификация в дерново-подзолистых почвах протекает ранней весной, так как температура почвы низкая, анаэробные условия, что ослабляет микробиологическую деятельность и подавляет нитрификацию, но с постепенным, прогревание почвы количество нитратов возрастает и достигает максимума в летний период, а к осени снова уменьшается (Ягодин, 1982; Смирнов, 1984; Когут, 1998).
При оптимальных условиях скорость нитрификации в черноземных почвах может достигать 20-25 кг/га N-NO3 в дерново-подзолистых почвах — 4-6 кг/га в сутки (Bremner, Blackmer, 1978). При оптимальных условиях скорость нитрификации в дерново-подзолистых почвах составляет 4-6 кг/га в сутки, а в черноземах 20-25 кг/га N-NO3- (Кидин, 1993).
Внесение минеральных удобрений обогащает почву азотом и зольными элементами, что приводит к усилению процессов минерализации. Минеральные удобрения способствуют увеличению интенсивности биологических процессов происходящих в почве, так как они являются источником азота, фосфора, калия и других элементов, необходимых для питания микроорганизмов (Варюшкина, Кирпанова, Никитина, 1974).
Нитрификация протекает не только за счет автотрофных бактерий, но и может протекать при участии гетеротрофных микроорганизмов, которые способны окислять NH4+ до NO2- и NO2- до NO3- (Verstraete, 1981; Кураков, Попов, 1995) Этот процесс получил название гетеротрофной нитрификации. Одни гетеротрофы окисляют азот до NO2- и до N2 или N2O, другие же окисляют восстановленные неорганические соединения подобно автотрофным нитрификаторам. Активность гетеротрофных нитрификаторов значительно ниже, чем у автотрофных и поэтому деятельность гетеротрофных организмов не рассматривается в качестве значительного источника окисленных форм (Stroo et. al., 1986; Кураков и др., 2001; Ленгелер и др., 2005).
В результате нитрификации NH4+ в нейтральной и слабощелочной аэробной среде весьма интенсивно окисляется до NO3-, однако в переувлажненных почвах некоторая его часть окисляется до нитритов NO2- (Заварзин, 1979; Кидин, 2008).
Следует помнить о том, что с точки зрения агрохимии окисление NH4+до NO3-в результате нитрификации – крайне нежелательный процесс, так как нитраты – основной источник потерь азота почвы и удобрений в результате денитрификации и вымывания осадками, приносящих огромный ущерб сельскому хозяйству. Высокое содержание нитратов в сельскохозяйственной продукции – опасно для здоровья человека и животных. Растениям предпочтительнее использование азот в аммонийной форме, чем NO3- (Кудеяров, 1999). 2.2.3 Денитрификация
Денитрификация считается основной причиной потерь азота в земледелии – удобрения могут утрачивать в результате денитрификации до 50% связанного азота (Гиляров, Бабаев, Винберг, Заварзин и др, 1986).
Многочисленные авторы считают (Вremner, Shaw, 1958; Cady, Bartholomew, I960; Мишустин, Хаким, 1965; Bailey, Beauchamp, 1971; Смирнов и др., 1972 б, 1979, 1981; Burrord, Bremner, 1975; Stanford et al, 1975; Кореньков, 1976; Knowles, 1981), что размер потерь азота, интенсивность денитрификации зависят от развития денитрифицирующих бактерий в почве, а также наличия условий, при которых они осуществляют восстановление нитратов.
Денитрификация – естественный процесс восстановления денитрифицирующими бактериями нитратов и нитритов до аммиака и газообразного азота: NO3- NO2- NON2ON2 (Bholah, Ng Kee Kwong, 1997). Дефицит азотистых соединений компенсируется внесением азотистых удобрений, рыхлением почвы и др. В ходе денитрификации связанный азот удаляется из почвы и воды с выделением газообразного азота в атмосферу (Дедю, 1989).
По имеющимся данным, в настоящее время, денитрификация может осуществляться обширной группой бактерий, которые могут проводить полное (до N2) или неполное восстановление нитрата до нитрита, оксида азота (II) или закиси азота. Из данных Мишустина, Хакима (1965); Смирнова и др. (1977 б, 1979) следует, что денитрифицирующие бактерии не представляют собой специфической группы микроорганизмов. Большое количество бактерий способны вызывать денитрификацию. Бактерии родов Bacillus, Pseudomonas. Thauera, Alcaligenes, Paracoccus, Flyphomicrobium, Thiobacillusи др. способны к денитрификации (Кидин, 2008; Степанов, Лебедева, 2008).
Потери азота из почвы и удобрений
Выщелоченный чернозем характеризуется хорошими физико-химическими показателями. Реакция среды чернозема выщелоченного близка к нейтральной (рН 5,5-6,5), содержание подвижных форм фосфора и калия высокие, хотя и немного снижаются с глубиной почвенного профиля. Содержание подвижных форм фосфора в черноземе выщелоченном – V и VI класс. Содержание подвижных соединений калия во всех слоях почвенного профиля на уровне V класса. Минеральный азот содержится в пределах 28,7 мг/кг почвы; количество гумуса у чернозема выщелоченного составляет около 8%. Заметное отличие чернозема выщелоченного от дерново-подзолистой почвы видно не только по содержанию гумуса в разных слоях почвы, но и по сумме обменных оснований. Чернозем имеет высокую степень насыщенности основаниями, которая достигает 92%. У выщелоченного чернозема гидролитическая кислотность варьирует, в зависимости от слоя почвы от 3—5 мг-экв на 100 г. Он отличаются высокой микробиологической активностью (табл. 5).
Следовательно, чернозем по сравнению с дерново-подзолистой почвой характеризуется более высоким естественным плодородием, имеет мощный гумусовый горизонт, значительно больше содержит гумуса и общего азота в пахотном горизонте с постепенным снижением их по профилю (Завалин, Благовещенская, Чернова, Шмырева, 2012).
Однако, несмотря на высокое плодородие чернозема, обеспеченность его усвояемыми формами азота очень часто невысока. Следовательно, в азотных удобрениях остро нуждаются не только дерново-подзолистые почвы, но и выщелоченные черноземы.(Смирнов, Муравин, 1984)
В таблице 7 видно, что с увеличением глубины содержание нитратноо азота уменьшается, а также после компостирования происходит увеличение количества нитратов во всех слоях почвы (в слое 0-20 см в 6 раз, 20-40 см – в 4 раза, а в слое 40-60 в 2 раза). Многими авторами (Бозбуцкая, 1960, 1968, Шкопде, Королева, 1968 и др.) рассматривают способность почв к накоплению нитратного азота как признак высокого плодородия почв.
Из приведенных выше таблиц о содержании нитратов видно (табл. 3, 4, 6, 7), что чернозем выщелоченный по сравнению с дерново-подзолистой почвой обладает большей нитрифицирующей активностью. Более высокое содержание органического вещества в почве соответствует высокому уровню нитрификационной способности, между этими показателями установлена тесная взаимосвязь. Содержание нитратного азота без учета компостирования в черноземе в зависимости от слоя почвы в 7-10 раз превышает это же содержание в дерново-подзолистой почве, а после компостирования в 10-20 раз. Активно выраженные процессы нитрификации говорят о завершении переработки продуктов распада органических соединений. Необходимо отметить, что чернозем обладает нейтральной реакцией среды это способствует накоплению нитратного азота, также нитрификация протекает активнее в обрабатываемых почвах. Следовательно, повышенная интенсивность процесса нитрификации приводит к накоплению большого количества нитратов и способствует процессу денитрификации, так как создает благоприятные условия для этого процесса, что способствует газообразным потерям азота.
Знание об интенсивности прохождении процесса нитрификации поможет регулировать этот процесс и установить в зависимости от почвы дозы, сроки и виды азотных удобрений и снижение потерь при их применении.
Учитывая отсутствие разработанной стандартной методики по выделению газообразных потерь азота из почвы, для данных экспериментов была построена методика анализа на основе работ Педишюса, 1973; Bremner, Blackmer, 1978. Отбор и анализ почвенных образцов проводили следующим образом.
Пахотные горизонты отбирали на глубину 0-20 см, подпахотные – 20-40 см и 40-60 см соответственно. Почва была отобрана с ненарушенной структурой при помощи бура-пробоотборника с разъемным титановым цилиндром, который практически не вызывает деформацию почвы при отборе. Диаметр и высота цилиндра пробоотборника – 3,5 см и 20 см соответственно, объем – 192 см3. Повторность отбора проб трехкратная из каждого слоя почвы.
Затем был проведен агрохимический анализ почвенных образцов (табл. 2 и 5). В дальнейшем по разработанной методике проводили лабораторные опыты, для которых были простроены две схемы опыта. Для этого использовались герметичные сосуды емкостью 200 мл, оборудованные штуцерами для взятия образцов надпочвенного воздуха шприцом. В навески воздушно-сухой почвы массой 100 г вносили удобрения СаН2РО4, КСl и Ca(NO3)2 из расчета 100 мг P2O5 и K2O и 50 мг, 100 мг ,150 мг азота на 1 кг почвы, доводили влажность почвы до 60-70% полной влагоемкости, тщательно перемешивали и помещали в сосуды. В зависимости от предложенной схемы опыта, в одни сосуды вносили 1% глюкоза в концентрации 0,2 г/сосуд, а в других сосудах внесение глюкозы отсутствовало. В дальнейшем сосуды герметизировали, атмосфера в сосудах была имитацией воздуха (21% О2 и 79% N2). Повторность опыта трехкратная. Образцы надпочвенного воздуха для определения концентраций закиси азота и углекислого газа отбирали через 2, 4, 8, 12, 16, 20, 24 и 28 суток. Анализы надпочвенного воздуха проводили методом газоадсорбционной хроматографии на газовом хроматографе «Хром-5».
Данный хроматограф состоит из колонки с нержавеющей стали длиной 2,5 м и внутренним диаметром 5 мм, наполненной «Porapak Q» (50-60 mesh) для определения СО2; N2O; C2H2 и C2H4. В качестве детектора использовали катарометр – детектор по теплопроводности; газ носитель – гелий при расходе 60 мл/мин., температура колонок и детектора – + 40 0С (Bailey and Beauchamp, 1973). Концентрацию газов рассчитывали по калибровочной кривой, приводя к нормальным условиям.
Динамика выделения закиси азота из разных слоев почв
По результатам многочисленных исследований и данным вегетационного опыта, проведенного Торшиным, (1982) можно увидеть, что происходят газообразные потери азота удобрений из почв, причем размер этих потерь азота зависит от свойств почвы, уровня ее плодородия. Следовательно, для того, чтобы изучить влияния почвенного плодородия на размер газообразных потерь азота были взяты почвы, отличающиеся по микробиологической активности и агрохимическим свойствам, а именно: дерново-подзолистая почва и чернозем выщелоченный (табл.2, 5).
Почвы, используемые в исследовании, являются удобным объектом для изучения денитрификации, так как они отличаются по содержанию органического вещества, микробиологической активности и по кислотности.
Дерново-подзолистая почва содержит меньше доступного
органического углерода и менее интенсивно происходит потребление кислорода, а, следовательно, и меньшие газообразные потери азота.
Образование и содержание газообразных азотсодержащих продуктов денитрификации тесно взаимосвязано с микробиологической активностью почв. Динамика выделения закиси азота представлена в таблицах 13 и 14.
С увеличением глубины почвенного профиля газообразные потери азота увеличиваются. Следовательно, газообразные потери из слоя 0-20 см составляют – 1-2 мг/сосуд, а из слоев 20-40 см и 40-60 см – соответственно 2-3 и 3-4 мг N-N2O на сосуд (рис.10, 12, 14). Выделение закиси азота увеличилось на 13% – 20% (в зависимости от варианта опыта) во всех слоях почвы по сравнению с контрольным вариантом на 8-й день опыта.
Наиболее благоприятные условия для газообразных потерь азота складываются в самом нижнем слое почвы (40-60 см). Также, с увеличением экспозиции, количество газообразных потерь азота уменьшается, то есть в первые несколько дней происходит максимальное выделение закиси азота из почвы, а в последующие дни происходит спад и к концу опыта полностью прекращается выделение закиси азота из верхнего слоя, а в более глубоких слоях ее концентрация уменьшается. Так из дерново-подзолистой почвы в течении 30 дней происходят потери азота, а в черноземе выщелоченном в течении 15 дней происходит выделение закиси азота.
Как видно из таблицы 14, выделение закиси азота происходит, как и в дерново-подзолистой почве, с глубиной эмиссия закиси азота возрастает, а с экспозицией уменьшается (рис. 11, 13, 15). Но по сравнению с дерново-подзолистой почвой , эмиссия закиси азота происходит гораздо быстрее, это связано с тем, что чернозем обладает большей биологической активность, по сравнению с дерново-подзолистой почвой. Выделение закиси азота из чернозема выщелоченного выше в 1,5 раза, чем из дерново-подзолистой почвы, без внесения глюкозы. Следовательно, в черноземе выщелоченном складываются более благоприятные условия для процесса денитрификации.
Чем больше органического вещества, тем быстрее протекает денитрификация, также рН чернозема выщелоченного близка к нейтральной, что способствует процессу денитрификации и большим газообразным потерям азота. Также из данной таблицы видно, что с увеличением доз азотных удобрений, как и в случае с дерново-подзолистой почвой происходит увеличение выделение закиси азота.
В проведенном лабораторном опыте изучали влияние энергетического материала (глюкозы) на скорость удаления закиси азота из надпочвенной атмосферы.
В сосудах с дерново-подзолистой почвой и черноземом выщелоченным при добавлении глюкозы выделение закиси азота после 8 дней резко снижалось и к концу опыта закись азота практически не была обнаружена, так как к этому времени (за 30 дней) она полностью редуцировалась до N2 (табл. 15, 16). Таблица 15 Динамика выделения N2O из различных слоев почвенного профиля дерново-подзолистой почвы с внесением глюкозы (мг N - N2O / сосуд почвенного воздуха)
Выделение закиси азота из дерново-подзолистой почвы и чернозема выщелоченного, где было внесено легкодоступное органическое вещество в 1,5 раза больше по сравнению с дерново-подзолистой почвой и черноземом выщелоченным, где отсутствовало внесение глюкозы.
По истечению 8-дневного периода в почвах с высокой биологической активностью (чернозем выщелоченный с глюкозой) закись азота восстанавливалась с образованием N2. Наиболее интенсивно закись азота в газообразной форме теряется из чернозема выщелоченного с внесением глюкозы, вероятно, там сложились благоприятные условия для микроорганизмов, чем и обуславливается наиболее высокая биологическая активность этой почвы, приводящая к быстрому потреблению О2. Анаэробные условия и достаточное количество легкодоступного органического вещества активизировали денитрификаторов, деятельность которых вызвала значительные около 5 мг/ на сосуд потери закиси азота в газообразной форме.
Закись азота является промежуточным газообразным соединением на пути восстановления нитратов и нитритов в почве, это следует из обзора литературы. Следовательно, содержание органического вещества и микробиологическая активность влияет на интенсивность процесса денитрификации, а также и на скорость восстановления N2O в почве до N2.
Наиболее интенсивно скорость редукции закиси азота протекала в опытах с черноземом, чем с дерново-подзолистой почвой. Следует отметить, что скорость редукции закиси азота в почвах была наиболее высокой в первые 10 дней опыта. В дальнейшем, происходит снижение микробиологической активности почв и выделение углекислого газа и , следовательно, уменьшается редукция закиси азота. Добавление в почву глюкозы для активизации жизнедеятельности микроорганизмов вызывало резкое увеличение скорости восстановления N2O до N2, вследствие чего на черноземе, в вариантах с глюкозой за 2-3 дня практически вся закись азота была редуцирована.
Почвы, обладающие высоким содержанием органического вещества, а также при заделке в почву доступных микроорганизмам органических веществ вероятность диффузии N2О в атмосферу и ее загрязнение может заметно снижаться. При этом биологическая активность почв является важнейшим фактором, который обуславливает скорость восстановления закиси азота в почве.
