Содержание к диссертации
Введение
1. Роль азота в почвообразовании и плодородии почв (обзор литературы) 8
1.1. Азот и его соединения в почвах 8
1.2. Цикл азота в экосистемах 23
2. Объекты и методы исследований 40
2.1. Объекты исследований 40
2.2. Экологические условия региона 42
2.3. Методы исследований 49
3. Содержание и запасы азота в почвах 54
3.1. Макроморфологическая оценка почв 54
3.2. Содержание и запасы гумуса в почвах 64
3.3. Содержание и запасы азота в почвах 78
3.3.1. Статистические характеристики содержания азота в почвах 78
3.3.2. Запасы азота в профиле почв 86
3.3.3. Распределение форм азота по профилю почв 91
4. Запасы азота в растительном веществе почв 110
4.1. Структура и запасы подземного растительного вещества в почвах 110
4.1.1. Структура и запасы подземного растительного вещества в травяных экосистемах 110
4.1.2. Структура и запасы подземного растительного вещества в агроценозах 115
4.2. Сравнительная оценка запасов азота в растительном веществе почв 123
5. Основные обменные процессы азота в агроценозах бобовых полевых культур 131
5.1. Изменение гидролизуемых форм азота 131
5.2. Изменение нитратного азота 137
5.3. Структура и запасы растительного вещества в агроценозах бобовых полевых культур 141
5.4. Запасы азота в компонентах растительного вещества в бобовых полевых культур 148
5.5. Основные обменные процессы азота 153
Выводы 163
Практические рекомендации 166
Литература 167
Приложения 192
- Азот и его соединения в почвах
- Содержание и запасы гумуса в почвах
- Структура и запасы подземного растительного вещества в агроценозах
- Основные обменные процессы азота
Введение к работе
Актуальность темы. Азот - важнейший элемент питания растений. Несмотря на относительно невысокое содержание элемента в растениях (0,5-4 % сухого вещества), азот имеет решающее значение в образовании белков, аминокислот, нуклеиновых кислот, хлорофилла, липидов, фосфатидов, многих витаминов (Кретович, 1982). Азот входит в состав гумусовых веществ почвы. Накопление его - характерная черта почвообразовательного процесса, обусловленная биологическим круговоротом веществ в системе «почва-растение». В разных почвах формируются различные запасы азота, большая часть которых находится в труднодоступной форме (Славнина, 1978; Гамзиков, 1981; Помазкина, 1985; Чупрова, 1997; Пигарева, Корсунов, 2004; Чупрова, Ерохина, Александрова, 2006). В связи с этим азот зачастую является основным лимитирующим элементом для растений. Возможности мобилизации ими азота почвенных ресурсов сдерживаются жесткими климатическими условиями Минусинской котловины, в пределах земледельческой территории Хакасии. Усиление азотмобилизующей способности сельскохозяйственных культур может осуществляться различными путями, например, вследствие повышения процессов минерализации органического вещества почвы и (или) в результате симбиотической азотфиксации (Зефрус, 2000; Посыпанов, Дозоров, Дозорова, 2000; Назарюк, 2007). Чтобы успешно решить задачу увеличения урожайности полевых культур в данном регионе, необходимы знания о характеристике и оценке азотного фонда, особенностях азотного режима и специфике баланса элемента в различных агроценозах. Несмотря на имеющиеся научные сведения о почвах региона (Танзыбаев, 1993), многие вопросы трансформации почвенного азота до сих пор остаются малоизученными. Это и определило научно-практическую значимость и постановку наших исследований.
Цель исследовании заключается в выявлении особенностей азотонакопления агропочвами и их целинными аналогами, а также определении основных потоков цикла азота в зерновых и бобовых агроценозах Минусинской котловины (в пределах Хакасии).
Основные задачи:
-
Дать сравнительную оценку азотного фонда в агропочвах (черноземы и каштановые) и их целинных аналогах.
-
Определить запасы растительного вещества (корни, мортмасса) и аккумулированные в нем запасы азота в агроценозах и травяных экосистемах.
-
Выяснить влияние бобовых культур и удобрений на трансформацию соединений азота в агрочерноземе текстурно-карбонатном.
-
Оценить основные потоки азотного цикла в зерновых и бобовых агроценозах.
Научная новизна. Получены новые материалы по характеристике азотного фонда черноземов и каштановых почв Минусинской котловины (в пределах земледельческой территории Хакасии). Показана низкая гидролизуемость азотных соединений в почвах региона: преимущественные (74-84 %) запасы азота относятся к негидролизуемым соединениям, небольшие (7,5-9 %) - к легкогидролизуемым. Изменение содержания и запасов
легкогидролизуемого азота определяется факторами: «глубина» (мощность слоя) > «почва» > «экосистема».
Впервые для условий региона определены количественные оценки основных потоков азотного цикла в зерновых и бобовых агроценозах. Различия в потреблении элемента пшеницей, горохом и эспарцетом компенсируются с неодинаковой интенсивностью процессами высвобождения азота из растительных остатков, минерализации органических соединений почвы и азотфиксации. Обменные процессы азота в агроценозе эспарцета сопровождаются закреплением элемента в почвенном фонде, что исключает его потери.
Защищаемые положения:
-
Сельскохозяйственное использование не изменяет содержание и запасы азога в агропочвах лесостепной зоны, но приводит к снижению его в агропочвах степной и сухостепной зон.
-
Азотный фонд черноземов и каштановых почв отличается преобладанием негидролизуемых органических соединений. На фоне статистически не достоверных различий в содержании легкогидролизуемого азота в агропочвах по сравнению с целинными аналогами проявляется существенное нитратонакопление. На мобилизацию нитратного азота в почвах влияют факторы: экосистема > глубина (мощность слоя) > почва..
-
В агроценозе эспарцета интенсивность потока почвенного азота из легкогидролизуемого фонда в минеральный ниже, а интенсивность перехода азота в трудногидролизуемый фонд выше, чем в агроценозах пшеницы и гороха.
Практическая значимость. Полученные материалы восполняют недостаток сведений по оценке азотного фонда, особенностям азотонакопления в почвах и круговороте элемента в зерновых и бобовых агроценозах, что позволит эффективно осуществлять поиск путей сохранения плодородия почв региона и разрабатывать мероприятия по повышению урожайности сельскохозяйственных культур на них.
Материалы диссертации используются в учебном процессе на аграрном факультете ХГУ им. Н.Ф. Катанова.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на Международной научной школе-конференции студентов и молодых ученых «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» (Абакан, ХГУ, 2004-2007); Республиканской конференции «Катановские чтения» (Абакан, ХГУ, 2005); III Всероссийской научной конференции «Современные проблемы почвоведения и оценки земель Сибири» (Томск, ТГУ, 2005); Всероссийской научной конференции «Почвоведение и агрохимия в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2006), научных семинарах кафедры земледелия ХГУ им. Н.Ф. Катанова (с. Зеленое, 2005-2008) и кафедры почвоведения и агрохимии КрасГАУ (Красноярск, 2008).
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 191 странице машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка. Содержит 23 таблицы, 49 рисунков, приложение
Азот и его соединения в почвах
Проблема азота - одна из самых важных в современных условиях. Азот относят К числу элементов, определяющих плодородие почв и урожай сельскохозяйственных культур. Работы Д.Н. Прянишникова (1945, 1965), И.В. Тюрина (1956, 1965), Я. И. Лубите (1969), Т.П. Славниной (1978), ГЛ. Гамзикова (1981), R.L. Nichols, D.W. Allinson, (1983); DJ. Greenwood, A. Draycott, (1988); В.В. Чупровой (1997), Н.Н. Пигаревой, В.М. Корсунова (2004), В.М. Назарюк (2007), посвященные проблеме азота, вскрывают тесную связь между содержанием в почве азотных соединений и ее плодородием. Д.Н. Прянишников (1945) подчеркивал, что нитрификация является основным признаком культурной почвы и что имеется связь между способностью почвы к накоплению нитратов и ее плодородием. И.В. Тюрин (1956) отмечал, что «азот был и остается лимитирующим элементом, а его постепенная аккумуляция в почвах является ведущим и решающим фактором развития почвенного плодородия».
Азот является непременным и наиболее характерным элементом молекулы белков и некоторых других, важнейших для растений веществ. Белковые вещества, содержащие 16-18 % азота, составляют главную часть протоплазмы живых клеток; они являются материальной основой всех жизненных процессов. Без азота невозможно образование белковых веществ, не может быть протоплазмы, а следовательно, и жизни (Прянишников, 1945, Химические ..., 1979).
Азот считается не только элементом плодородия почв, но и обязательным элементом почвенного образования. Существенной чертой почвообразования И. В. Тюрин (1937, 1956, 1965) считал процессы ассимиляции и круговорота азота, а аккумуляцию его главным образом в органической форме гумусовых веществ и отчасти растительных, животных остатков и микроорганизмов, характерным признаком почвенных образований. И.В. Тюрин подчеркивал, что «аккумуляцию азота в почве надо признать более важной, чем накопление органического углерода, ввиду того, что углеродное питание растений происходит в основном за счет углекислоты воздуха, тогда как азотное питание растений идет в основном за счет минерализации азота самой почвы». Он же (1956, 1965) указывал, что «аккумуляция углерода в форме гумусовых веществ находится в прямой зависимости от наличия органического азота, участвующего в образовании гумуса, следовательно, размеры аккумуляции азота определяют и накопление гумуса». Взаимосвязь между этими параметрами плодородия почв подтверждает важную роль природных факторов в накоплении гумуса и азота (Осипов, Соколов, 2001).
Характер аккумуляции азота в почве, его запасы, отношение C:N, распределение форм азота и степень миграции подвижных азотистых соединений по профилю почв отражают специфику почвообразования. Азот -биогенный элемент, аккумуляция которого в почве определяется главным образом процессом гумусообразования и биохимической активностью почвы (Славнина, 1978). Являясь составной частью гумуса, азот почвы служит показателем направленности и результативности почвообразовательного процесса. И.В. Тюрин (1956), считая аккумуляцию азота в гумусовых веществах характерным признаком почвенных образований, предлагал запас общего азота в почвах принимать за показатель их потенциального плодородия.
Содержание азота в недрах земли составляет всего лишь 1,9x10" % от веса земной коры. Несмотря на это, в почвах наблюдается значительная концентрация этого элемента (в среднем 0,1 %). В живом веществе содержание азота по отношению к почве резко увеличивается (1-3 % на сухое вещество). Причина накопления азота преимущественно в живых организмах и в почвах заключается в том, что органические соединения азота неустойчивы вне живых организмов и быстро разлагаются; образующиеся минеральные соединения азота хорошо растворимы, легко мигрируют и не образуют скоплений в биосфере. Только в форме гумусовых веществ органические соединения азота приобретают сравнительно высокую устойчивость вне живых организмов. Атмосфера своим высоким кларком азота (75,3 % по весу) обусловливает повышение содержания этого элемента в почве и в живом веществе (Славнина, 1978; Орлов, Садовникова, Суханова, 2005).
Сведения о запасах азота в различных объектах биосферы недостаточно точны и разноречивы. По данным R.S. Ryers, R.L.Branson, (1973), в атмосфере накоплена огромная масса молекулярного азота, составляющего 4,25х1015т - (2 % от общих запасов), в литосфере азота -2,127х1017т - (98 % от общих запасов), меньшая масса азота - 1,804х1012т -(0,01 % от общих запасов) участвует в биохимическом цикле биосферы и в основном поддерживает жизнь на планете. В литосфере азот находится в виде иона NH/, входящего в кристаллическую решетку минералов, и практически исключен из биогеохимического круговорота. Молекулярный азот атмосферы также инертен и доступен лишь некоторым растениям и микроорганизмам. Подавляющая часть азота в биосфере (1660x109т, или 86,76%) в основном связана органическим веществом, в биомассе растений его содержится 12,8х109т, животных и микроорганизмов - 0,37х109т. В биосфере образуется 240x109т неорганического (NCV и NH4+) азота (Lynn, Porter, 1975). Моря содержат 2,02х1013 т растворенного в воде азота, небольшую часть которого составляет нитратная форма (Н. S. МсКее, 1962 -цит. из кн: Кук, 1970). В связанном виде азот также содержится в биогенных ископаемых: каменном угле от 1 до 2,5 % (масс), нефти, битумах, торфах и др. от 0,02 до 1,5 % (масс.) (Химические ..., 1979).
Известны и другие оценки запасов азота в биосфере. По оценкам В.А. Ковды (1987), в различных объектах биосферы содержится 150 млрд. т азота, в т.ч. в органических соединениях почвенного покрова — 1,5x1011 т, в биомассе растений — 1,1x10 т, в биомассе животных - 6,1x10 т. По сведениям Л.О. Карпачевского (2003), запасы азота в воздухе измеряются 3,66х1015 т. Среднее содержание азота в живых организмах 0,3 %, что составляет массу в 7x109 т. В горных породах содержание азота в среднем измеряется 0,002 % от массы, или 1,5x10 т в литосфере. В метровом слое почв планеты хранится 0,21x106 т азота (Структурно-функциональная роль ... , 2003). Всего в почвах земного шара содержится ЗхЮ5 млн. т азота (Кудеяров и др., 1986). По данным Б.Н. Моисеева и И.О. Алябиной (2007), только на территории России в чистой первичной продукции содержится около 31 млн.т. азота, причем ежегодные суммарные поступления азота на всю поверхность почвы с опадом и отпадом составляют 21,4 млн.т. N/год, а долговременное депонирование в живой фитомассе достигает 9,6 млн.т. N/год.
Относительное количество азота в различных глобальных звеньях варьирует в широких пределах и приблизительно равно отношению 1:30:30:600 (микроорганизмы : растительная масса : неорганический азот почвы : органическое вещество почвы) (Bolin, Arrhenius, 1977; Алиев, 1988).
Основными источниками почвенного азота являются азот атмосферы, поступающий в почву с атмосферными осадками под влиянием грозовых разрядов и в результате биологической фиксации, минеральные и органические удобрения (Петербургский, 1979; Химические ..., 1979; Титлянова, 1986; Кудеяров, 1989).
Накопление общего азота в процессе почвообразования определяется биоклиматическими условиями, в которых формируется почва. Биоклиматические закономерности накопления азота в различных почвах изучены В.В. Докучаевым (1951), М.М. Кононовой (1963), И.В. Тюриным (1965), В.А. Ковдой (1973), Д.С. Орловым (1974), Л.Н. Александровой (1980), Д.С. Орловым, О.А. Бирюковой, Н.И. Сухановой (1996). Согласно их исследованиям, общие запасы азота в почвах, в зависимости от условий, могут колебаться в широких пределах. Факторами, определяющими размеры накопления азота в почвах, являются: характер и состав растительных остатков, поступающих в почву; скорость процессов минерализации и гумификации растительных остатков; характер превращения азотсодержащих органических веществ в почве; физико-химические свойства почв и их гидротермический режим.
Содержание и запасы общего азота в почвах прямо коррелируют с содержанием и запасами гумуса в них. Выявленная И.В. Тюриным (1949) географическая закономерность гумусообразования подчеркивается и данными по общему азоту: понижении абсолютных количеств азота от почв лесостепи к почвам тайги и степи (Болотина, 1947; Кононова, 1963; Иванов, 1974; Славнина, 1978; Гамзиков, 1981; Кудеяров, 1989; Чупрова, 1997; Чупрова, Ерохина, Александрова, 2006).
Общее содержание азота в пахотном слое колеблется от 0,05 % в дерново-подзолистой почве до 0,6 % в мощном черноземе. Запасы азота достигают наибольших размеров в мощных тучных черноземах (более 11 т/га в верхнем слое 0-20 см и около 36 т/га в толще 0-100 см). В почвах, расположенных к северу и к югу от подзоны мощных тучных черноземов, запасы азота уменьшаются, доходя в подзолистых почвах северной нечерноземной полосы до 3 т/га в слое 0-20 см и до 7 т/га в толще 0-100 см, а в южных сероземах соответственно до 2,5 и 7 т/га (Тюрин, 1956; Кононова, 1963; Осипов, Соколов, 2001). Запасы валового азота зависят от подтипа почвы. Так для черноземов, наибольшее их количество отмечается в выщелоченных и оподзоленных, несколько меньшее в обыкновенных и совсем бедны этим элементом черноземы южные (Узун, Алексеева, 1973; Иванов, 1974; Гамзиков, 1981). В пахотных почвах, по мнению Л.В. Помазкиной (1985), содержание азота зависит не столько от генетических особенностей почв, сколько от длительности окультуривания и уровня агротехники.
Содержание и запасы гумуса в почвах
Оценка гумусного состояния исследованных почв по диагностическим критериям Д.С. Орлова, Л.А. Гришиной (1981) выявляет значительные различия в уровне их плодородия. Статистические показатели содержания гумуса в почвах представлены в табл. 2. Полученные результаты свидетельствуют о четко выраженных географических закономерностях в гумусированности почв: снижении содержания гумуса от почв лесостепи к почвам степи и сухой степи (рис. 13). Сходные данные приводит и О.Л. Донская (2004). Как видим, содержание гумуса в почвах заметно уменьшается с юго-запада на северо-восток, от черноземов к каштановым почвам. Высокое содержание гумуса, характерное в целом для черноземов, обусловлено благоприятными гидротермическими условиями в зоне их распространения, которые создают оптимальные условия для процесса гумификации растительных остатков.
Максимальное содержание гумуса отмечается в черноземах глинисто-иллювиальных. Более высокое содержание гумуса в этих почвах по сравнению с другими почвами сохраняется по всему профилю. Средние значения содержания гумуса в верхнем 20-см слое черноземов варьируют от 7,16 % в глинисто-иллювиальных до 2,84 % в дисперсно-карбонатных. Это соответствует высокому и низкому уровню гумусного состояния почв.
Минимальное содержание гумуса установлено в каштановых почвах. Снижение темпов гумусонакопления в условиях сухой степи обусловлено снижением количества растительных остатков, количества осадков и глубины промачивания почвы по сравнению с черноземными почвами.
Средние значения содержания гумуса в верхнем 20-см слое каштановых почв в Аскизском и Усть-Абаканском районах отличаются незначительно и составляют 1,76 % и 2,12 %, соответственно, что соответствует очень низкому и низкому уровню плодородия.
Содержание гумуса в верхнем 20-см слое черноземов глинисто-иллювиальных варьирует от 6,75 % до 7,93 %. По оценке Д.С. Орлова, Л.А. Гришиной (1981), это соответствует высокому уровню гумусного состояния почв. Вниз по профилю содержание гумуса постепенно уменьшается, что обусловлено снижением запасов подземного растительного вещества с глубиной. Наиболее заметное падение содержания гумуса наблюдается на глубине 40-50 см. У агрочерноземов глинисто-иллювиальных по сравнению с целинными аналогами содержание гумуса немного выше по всему профилю, что обусловлено приуроченностью их к пониженным формам рельефа. В верхнем слое различие в среднем составляет 9 %. Содержание гумуса на пашне изменяется от 6,74 % до 8,82 %, составляя в среднем 7,81 %, что также соответствует высокому уровню гумусного состояния почв. Варьирование содержания гумуса в верхнем слое черноземов глинисто-иллювиальных и агрочерноземов глинисто-иллювиальных незначительное. В нижнем слое изменчивость признака выражена сильнее, особенно у агрочерноземов глинисто-иллювиальных. По мнению Г.П. Гамзикова (1981), В.В. Чупровой (1997), это обусловлено неравномерностью его промачивания, трещиноватостью и языковатостью.
Черноземы криогенно-мицелярные беднее гумусом, чем глинисто-иллювиальные. Содержание гумуса в верхнем слое черноземов криогенно-мицелярных Таштыпского района изменяется от 4,76 % до 6,73 %, что соответствует среднему и высокому уровню гумусного состояния этих почв. В черноземах криогенно-мицелярных Алтайского района (степь) гумуса меньше, чем в аналогичных почвах Таштыпского района (лесостепь), что обусловлено уменьшением запасов растительных остатков -гумусообразователей, особенностями водного режима, слабой биогенностью этих почв и легким гранулометрическим составом местной почвообразующей породы. Содержание гумуса в них изменяется от 2,43 % до 3,65 %, что соответствует низкому уровню гумусного состояния почв. В черноземах криогенно-мицелярных заметное падение содержания гумуса наблюдается уже на глубине 20-30 см. Это обусловлено уменьшением мощности гумусово-аккумулятивного горизонта этих почв по сравнению с черноземами глинисто-иллювиальными.
Содержание гумуса на пахотных участках меньше, чем на целине: на 8 % в Таштыпском и на 12 % в Алтайском районах. Многие исследователи отмечают снижение содержания гумуса в распаханных почвах региона по сравнению с целинными аналогами (Танзыбаев, 1993; Середина, Кулижский, Афанасьева, 2003; Чебочаков, 2003). Г.П. Гамзиков, М.Н. Кулагина (1992), объясняют это перераспределением органического вещества по профилю при перепашке, эрозионными процессами, активизацией процессов минерализации, вследствие улучшения условий аэрации при отсутствии или малой величине поступления растительного опада. При этом авторы утверждают, что применение удобрений поддерживает и улучшает гумусное состояние почв.- Содержание гумуса в подпахотных слоях агрочерноземов криогенно-мицелярных Таштыпского района выше в среднем на 35 %, чем на целине, что указывает на большую подвижность органического вещества при длительном сельскохозяйственном использовании. В агрочерноземах криогенно-мицелярных Алтайского района более низкое содержание гумуса по сравнению с неосвоенными аналогами отмечается в пределах всей исследованной части профиля. Варьирование признака, как в целинных, так и в пахотных почвах нарастает с глубиной. Изменчивость содержания гумуса обусловлена варьирующей степенью плотности поверхностного слоя и флуктуирующей фитомассой на целинных участках, разным количеством и качеством поступающего растительного опада, а также различными скоростями минерализации и гумификации растительных остатков в пахотных аналогах.
Содержание гумуса в черноземах дисперсно-карбонатных еще ниже, чем в криогенно-мицелярных, поскольку с увеличением сухости климата, остепненности ландшафта снижается уровень накопления элементов потенциального плодородия почв. Содержание гумуса в верхнем слое черноземов дисперсно-карбонатных существенно различается и изменяется от 1,57 % до 3,53 %, что соответствует очень низкому и низкому уровню гумусного состояния почв. Варьирование признака в слое 0-10 см составляет 29 % и с глубиной возрастает, указывая на неоднородность характера снижения его в почвенном профиле в связи с языковатостью гумусового горизонта. Содержание гумуса на пашне изменяется от 2,49 % до 3,48 %, в среднем 2,98 %, что также соответствует низкому уровню гумусного состояния почв.
Количество гумуса в каштановых почвах - наименьшее среди изученных почв. В верхнем 20-см слое каштановых почв Аскизского района содержание гумуса существенно различается и изменяется от 1,50 % до 2,19 %, что соответствует очень низкому и низкому уровню гумусного состояния почв. Варьирование признака в каштановых почвах Усть-Абаканского района менее значительное. Содержание гумуса в них изменяется от 1,97 % до 2,39 %. Это низкий уровень гумусного состояния. Пахотные участки беднее гумусом, вследствие активизации процессов минерализации органического вещества и эрозионных процессов, в среднем на 14 % в
Аскизском районе и на 7 % в Усть-Абаканском. Сравнение характера профильного распределения гумуса в почвах выявляет незначительные различия. Снижение гумуса с глубиной в почвах сухой степи интенсивнее, чем в степи и лесостепи. Наиболее резкое уменьшение гумуса в гумусово аккумулятивном горизонте каштановых почв обусловлено концентрированием корней растений в верхних слоях вследствие дефицита увлажнения. Варьирование содержания гумуса изменяется от среднего до высокого и во всех почвах с глубиной возрастает, указывая на неоднородность характера снижения его в почвенном профиле в связи с языковатостью гумусового горизонта.
Запасы гумуса в исследованных почвах возрастают от сухой степи к лесостепи и коррелируют с содержанием гумуса (рис. 14, 15, табл. 3). Наибольшие запасы гумуса отмечены в черноземах глинисто-иллювиальных, наименьшие в каштановых почвах. Запасы гумуса в верхнем 20-см слое различных подтипов черноземов значительно различаются и варьируют от 147,3 т/га в черноземах глинисто-иллювиальных до 72,4 т/га в черноземах дисперсно-карбонатных, что соответствует уменьшению гумусности от среднего до низкого уровня. В каштановых почвах этот показатель составляет 47,4 т/га и 57,0 т/га и выявляет очень низкий и низкий уровень плодородия почв. Вниз по профилю запасы гумуса снижаются во всех почвах (см. рис. 15).
Запасы гумуса в метровой толще исследованных почв в соответствии с системой показателей гумусного состояния почв изменяются также от средних до очень низких. В черноземах глинисто-иллювиальных сосредоточено 312,3 т/га в метровой толще, в черноземах криогенно-мицелярных в условиях лесостепи 214,6 т/га и 182,2 т/га в степи, что позволяет характеризовать их уровень плодородия как средний и низкий.
Структура и запасы подземного растительного вещества в агроценозах
После распашки травяных экосистем и трансформации их в агроценозы меняется структура и ритм функционирования этих экосистем.
Многовидовые длительно вегетирующие фитоценозы замещаются коротковегетирующими одно-сортовыми агрофитоценозами. При замене естественной растительности культурной, из биологического круговорота безвозвратно исключается значительная часть биомассы в виде товарной и побочной продукции. Отчуждаемая часть фитомассы превышает поступающую в почву, в результате чего возникает дефицит, возрастающий с повышением урожая (Кривонос и др., 1976). В злаковых агроценозах резко возрастает (по сравнению с травяными экосистемами) надземная фитомасса и столь же резко снижается подземная (Егоров, Дюрягина, 1973; Швабенланд, 2002).
Количество растительных остатков, поступающих в почву после уборки урожая, определяется видом возделываемых культур (Станков, 1964). С пожнивными остатками и корневой системой однолетних культур поступает не более 3 т/га биомассы, которая содержит 30-50 кг/га азота (Чупрова, 1997; Швабенланд, 2002). Несколько больше поступает биомассы корневых остатков и соответственно азота при возделывании многолетних трав (Гамзиков, 1981).
Запасы подземного растительного вещества в пахотных почвах региона исследования изменяются аналогично запасам подземного растительного вещества в травяных экосистемах. Наибольшее количество подземных растительных остатков обнаружено в агрочерноземах глинисто-иллювиальных, наименьшее в агроземах текстурно-карбонатных (рис. 27, табл. 12, прил. 9). Различие между почвами в слое почвы 0-40 см в некоторых случаях составляет более чем в 3 раза (от 3,4 т/га в агроземе текстурно-карбонатном до 10,4 т/га в агрочерноземе глинисто-иллювиальном). В верхнем 0-20 см слое почв аккумулируется значительная часть растительных остатков, что свидетельствует о дифференцированном развитии корневых систем.
Минимальные запасы живых корней в слое почвы 0-40 см отмечаются в агроземах текстурно-карбонатных (0,5 т/га), максимальные - в агрочерноземах глинисто-иллювиальных (2,6 т/га). Эти различия составляют более чем 5,2 раза (рис. 28). Основная масса корней, как и всего растительного вещества, сосредоточена в верхнем 20-см слое почв, от 84 до 92 % всей массы живых корней в слое 0-40 см.
Запасы мортмассы меняются в меньшей степени. Но они значительно превышают запасы корней во всех типах почв (см. рис. 27). В агрочерноземах глинисто-иллювиальных они составляют 8 т/га, а в каштановых почвах - 2,8 т/га. Установлено, что в общем запасе подземного растительного вещества доля мортмассы увеличивается от агрочерноземов глинисто-иллювиальных к каштановым почвам. Это обусловлено тем, что в агроземах текстурно-карбонатных в условиях резкого дефицита влаги разложение растительных остатков замедляется, что и способствует аккумуляции мортмассы.
Используя дисперсионный анализ, установим влияние различных факторов на изменение запасов подземного растительного вещества в почвах и агропочвах. Вначале рассмотрим их вклад в динамику запасов живых корней. Обнаружено, что на изменение запасов живых корней в естественных экосистемах и агроценозах на всех почвах наибольшее влияние оказывает фактор «глубина» (58 %) (табл. 13, рис. 29). Содержание корней очень существенно уменьшается с глубиной во всех типах почв.
Меньшее влияние на данный показатель проявляет фактор «экосистема» - 26 %. Пахотные участки всегда отличаются меньшими запасами живых корней во всех типах почв. Данное положение подтверждается И.С. Швабенланд (2002), исследовавшей агроценозы Хакасии. Фактор «почва» оказывает совсем небольшое влияние, всего около 3 %. Черноземы отличаются от каштановых почв повышенными запасами корней, причем наиболее выражено это на целинных участках. Среди взаимодействий факторов особенно выделяется взаимодействие «экосистема х глубина» - 10 %. Другие взаимодействия факторов составляют около 3 %.
На изменение запасов мортмассы в исследованных почвах наиболее влияет также фактор «глубина» - 60 % (рис. 30). Запасы мортмассы очень заметно снижаются с глубиной во всех типах почв (табл. 14). Фактор «экосистема» на 26 % из данной выборки способствует изменениям запасов мортмассы.
Агроценозы, по сравнению с естественными экосистемами, характеризуются меньшими запасами мортмассы во всех типах почв. Подобная закономерность подтверждается И.С. Швабенланд (2002). Вклад фактора «почва» - незначительный, всего около 1 %. Взаимодействие факторов «экосистема х глубина» равняется 13 %. Взаимодействия других факторов составляют только 0,4 %.
Таким образом, в агроценозах запасы подземного растительного вещества значительно ниже, чем в травяных экосистемах. Различия между ними в различных типах почв составляют 1,9-2,9 раза. Это обусловлено снижением количества корней в агрофитоценозах и отчуждением части фитомассы с товарной и побочной продукцией. В агроценозах, как и в естественных фитоценозах, отмечено- снижение запасов живых корней от почв лесостепи к почвам степи и сухостепи. Основная часть подземного растительного вещества представлена мортмассой, причем доля ее увеличивается от черноземов к каштановым почвам. Основная масса корней, как и всего растительного вещества, аккумулируется в верхнем 20-см слое агропочв, что свидетельствует о дифференцированном развитии корневых систем.
Основные обменные процессы азота
Основными составляющими азотного цикла, как уже сказано, являются следующие процессы трансформации азота: азотфиксация, аммонификация, нитрификация и денитрификация.
Интенсивность процессов трансформации азотсодержащих соединений в системе почва — удобрение - растение — атмосфера определяет направленность баланса содержания элемента в почве. Расчет баланса азота в почве очень сложен, поскольку слагается из ряда трудно учитываемых статей. Основные статьи такого расчета (поступление и его закрепление, потребление элемента растениями и потери) зависят от многих факторов и могут значительно варьировать в пределах как одной почвенной зоны, так и разных, изменяться в зависимости от типа почвы (Петербургский, 1979). По мнению И.К. Хабирова (1988), баланс азота зависит от культуры в севообороте.
Основными источниками поступления азота в почву являются корневые и пожнивные остатки, минеральные и органические удобрения, соединения азота, поступившие в почву с атмосферными осадками и семенами, а также азот, связанный клубеньковыми бактериями и свободноживущими азотфиксаторами. В расходной части баланса, кроме выноса урожаями, включаются газообразные потери азота удобрений и потери за счет поверхностного стока (Петербургский, 1979; Титлянова, 1986; Кудеяров, 1989; Конончук, 1999).
Подробный количественный учет поступления в почву и убыли из нее питательных веществ позволяет составить почвенный баланс элементов минерального питания и установить влияние на него систем удобрений и применяемых агротехнических способов (Синягин, Кузнецов, 1979). Установлено (Титлянова, Тихомирова, Шатохина, 1982), что основой для построения баланса азота в почве является определение концентрации элемента в различных фракциях растительного вещества и накопление его в биомассе. Процесс интенсивного накопления надземной и подземной биомассы растений, связанный с применением удобрений, влияет на общий вынос и удельный расход азота при формировании единицы продукции (Гамзиков, 1981; Кордуняну, 1985; Назарюк, 2002; Моисеев, 2003).
Рассмотрим основные потоки и их интенсивность в агроценозах пшеницы и бобовых культур. В приходную часть баланса мы включили поступление азота с осадками, удобрениями, симбиотической азотфиксацией, а также азот, высвобождающийся при минерализации растительных остатков (табл. 24). Среднегодовое поступление азота с осадками, учитывая засушливость климата зоны проведения исследований, принято за 4 г/ м в год (Петербургский, 1979; Назарюк, 2002). Так как во время вегетационного периода в регионе в среднем выпадает 83 % осадков от годовой нормы (Николаева, 2005), нами установлено следующее количество азота, поступающее в почву с осадками: 3 г/ м - в период весна-осень, 1 г/ м — в период осень-весна. У бобовых культур азотный фонд почвы существенно пополняет азот, связанный клубеньковыми бактериями. Нами были приняты следующие величины накопления азота за счет симбиотической азотфиксации: 60 % от выноса надземной массой гороха и 80 % - эспарцета (Гордецкая, 1976). В связи с этим суммарный приход азота у изученных культур значительно варьирует.
Расходная часть баланса азота включает поглощение элемента растениями, освобождение из органических почвенных соединений, отчуждение с урожаем, газообразные потери из удобрений. Денитрификация из удобрений составляет существенную расходную часть в балансе азота. В наших расчетах газообразные потери приняты за 20 % от внесенного количества азота удобрений (Конончук, 1999), что составляет 1,2 г/м .
Расчеты показывают, что среднегодовая величина потребления азота растениями пшеницы в варианте без удобрений равна 3,6 г/м год или 7,3 г/м2 2 года (рис. 47, табл. 23, прил. 12). Более половины (63 %) потребленного азота было отчуждено с урожаем. Поступление азота с осадками компенсировало его вынос продукцией только на 10 %. Остальное - азотом, освобождающимся при разложении растительных остатков и почвенных органических компонентов. Фонд минерального азота израсходован не полностью, так как он пополнялся в результате постоянно протекающих в почве процессов минерализации. Ближайшим резервом для его пополнения являются фонды легкогидролизуемого почвенного азота и азота, высвобождающегося в процессах разложения растительных остатков. Из растительных остатков за 2 года поступило 2,7 г/м или 1,4 г/м год. Переход легкогидролизуемого азота в минеральный составил 5,3, обратный переход минерального в легкогидролизуемый - 1,4 (г/м 2 года). Следовательно, восстановление запасов азота в минеральном фонде за счет минерализации легкогидролизуемых почвенных соединений составляет 3,9 (г/м 2 года) или около 2 (г/м год). Это в 1,4 раза больше, чем из растительных остатков. Снижение запасов азота в легкогидролизуемом фонде обусловлено также переходом его в трудногидролизуемый фонд. Интенсивность закрепления азота в трудногидролизуемом фонде достигает 11,6 (г/м 2 года) или 5,8 (г/м год). По всей вероятности, в почве, обогащенной легкоразлагаемыми органическими удобрениями, которые, как известно из истории опытного поля вносились в предшествующие исследованиям годы, накапливалось значительное количество легкогидролизуемого азота. В период с осени до весны значительная часть легкогидролизуемого азота расходовалась на два противоположно направленных, но параллельно идущих процесса. Это закрепление его в трудногидролизуемом фонде и высвобождение нитратного азота.
Внесение удобрений под пшеницу увеличивает величину потребления элемента растениями примерно на 68 % (10,7 г/м 2 года) (см. рис. 47, табл. 23, прил. 12). При этом величина отчуждения с урожаем также увеличивается - 6,4 г/м 2 года. Но, несмотря на это, вынос элемента полностью возмещается за счет азота осадков, растительных остатков и минеральных удобрений. В связи с этим в агроценозе пшеницы г460РбоКбо3 в отличие от варианта без удобрений, преобладают процессы закрепления минерального азота в фонде легкогидролизуемого. Интенсивность этого процесса составляет 2,7 г/м 2 года или 1,4 г/м год. Поток ІЧл/г- - NT/Г также как и варианте без удобрений преобладает над обратным процессом, причем в еще большей степени.
В агроценозах гороха в вариантах NoPoKo и оРбоКбо величины потребления растениями азота близки — 24,4 и 25,5 г/м 2 года, соответственно (рис. 48, табл. 23, прил. 12). Отчуждение с урожаем составляет одинаковую величину 15,4 г/м 2 года. Следовательно, относительное отчуждение азота горохом без удобрений несколько выше. Поступление азота со всеми источниками компенсирует затраты потребленного элемента на 82 %, из них за счет азотфиксации - на 42 %. Использование в агроценозе гороха минеральных удобрений обеспечивает полное возмещение затрат на вынос азота с продукцией (120 %). Процессы перехода азота из фонда в фонд в агроценозах гороха имеют схожий характер с агроценозами пшеницы, но имеют другие количественные характеристики.
В варианте без удобрений протекают преимущественно процессы минерализации. Интенсивность их составляет 5,2 г/м 2 года. На удобренных вариантах, наоборот, доминируют процессы закрепления минерального азота в легкогидролизуемой фракции, причем примерно с той же интенсивностью - 4,5 г/м2 2 года. Преимущество потока NJI/Г— NT/Г над обратным более выражено при использовании удобрений. Интенсивность его составляет 6,0 и 16,2 г/м 2 года.
В агроценозах эспарцета отмечены наибольшие величины потребления азота растениями (рис. 49, табл. 23, прил. 12). По вариантам опыта они варьируют от 34, 0 до 41,5 г/м 2 года. С урожаем зеленой массы этой культуры выносится примерно половина азота, накопленного в биомассе
