Трансформация азотного фонда и продуктивность торфяных низинных почв разной интенсивности антропогенного воздействия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Трансформация азотного фонда и продуктивность торфяных низинных почв разной интенсивности антропогенного воздействия

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

азотный фонд почва трава

Актуальность исследований. Концепция устойчивого развития биосферы - одна из главных современных задач человечества. Вследствие развития научно - технического прогресса, все больше и больше увеличивается антропогенная нагрузка на природные, в том числе болотные экосистемы.

Торфяные низинные почвы богаты азотом и широко используются в сельскохозяйственном производстве. Однако осушение и сельскохозяйственное использование органогенных почв приводит к необратимым процессам разрушения органического вещества торфа. При этом существенную трансформацию претерпевает азотный фонд почв, играющий важнейшую роль в продуктивности агроценозов.

Степень трансформации азотного фонда торфяных почв, находящихся в сельскохозяйственном производстве, при прочих равных условиях (климатическая зона, уровень осушения, ботанический состав и т.д.) определяется характером возделывания той или иной сельскохозяйственной культуры, т. е. зависит от интенсивности минерализационных процессов, протекающих в почвах под культурами. От интенсивности этих процессов в освоенных торфяных почвах зависит срок «жизни» почвы, уровень его эффективного плодородия и особенно обеспеченность минеральным почвенным азотом. Процессы разрушения органического вещества в освоенных торфяных почвах нельзя остановить, их можно только замедлить.

Актуальность работы в том, что в ней представлены данные результатов исследований по трансформации азотного фонда почв и их продуктивности, проведенных на уникальном объекте торфяных почв - Кировской луговоболотной станции, опытные участи которой вот уже 32 года находятся под бессменным возделыванием многолетних злаковых трав, однолетних трав и пропашных культур. Четвертое поле отведено под чистый пар. В настоящее время в отечественной и зарубежной литературе нет подобных длительных исследований, что свидетельствует о недостаточной изученности влияния длительного антропогенного воздействия разной интенсивности на азотный режим торфяных почв, состав органического вещества и продуктивность. Это имеет большое теоретическое и практическое значение для сельскохозяйственного использования торфяных почв.

Цель и задачи исследований. Целью работы являлось изучение азотного режима, состава органического вещества и продуктивности торфяных низинных почв разной интенсивности длительного антропогенного воздействия.

Для достижения поставленной цели предусматривалось решение следующих задач:

- изучить изменения азотного фонда в зависимости от интенсивности антропогенного воздействия, при 30 летнем использовании торфяных почв;

- выявить изменения в фракционном составе органического вещества в зависимости от интенсивности антропогенного воздействия;

- изучить влияние 32 летнего использования торфяных низинных почв на скорость сработки торфа;

- выявить влияние длительного применения минеральных удобрений на продуктивность и качество многолетних трав, однолетних трав и пропашных культур при их бессменном возделывании.

Научная новизна. Впервые проведен сравнительный анализ и получены параметры изменения азотного режима торфяных низинных почв разной интенсивности длительного антропогенного воздействия. Выявлена зависимость изменения азотного режима от бессменно возделываемых сельскохозяйственных культур. Изучено изменение фракционного состава органической части почвы. Исследовано влияние минеральных удобрений на продуктивность и качество возделываемых сельскохозяйственных культур при их длительном бессменном возделывании.

Практическая значимость. Получены параметры трансформации азотсодержащих соединений в торфяных низинных почвах при разной интенсивности антропогенного воздействия. Это позволяет более эффективно использовать минеральные азотные удобрения с учетом их влияния на урожайность и качество продукции. Представлены данные о потерях органического вещества торфа под различными культурами, что можно использовать при проектировке освоения торфяных почв.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Длительное бессменное возделывание различных сельскохозяйственных культур играет существенную роль в трансформации азотсодержащих соединений в торфяных низинных почвах, изменяет интенсивность минерализационных процессов, состав и запасы органического вещества торфа.

2. При длительном бессменном возделывании различных сельскохозяйственных культур минеральные удобрения оказывают значительное и стабильное влияние на их урожайность и качество.

Апробация работы. Основные результаты диссертации представлены и доложены на ежегодной научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГАУ (Санкт-Петербург, Пушкин 2006, 2007, 2008).

Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликовано 5 работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и выводов. Диссертация изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 25 таблиц, 2 рисунка. Список используемой литературы включает 275 наименований отечественных и 45 зарубежных авторов.

Благодарности. Сердечно благодарю директора Кировской лугоболотной станции, доктора сельскохозяйственных наук А.Н. Уланова и его сотрудников за помощь в работе и предоставленную возможность исследовать их объекты.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проводили на торфомассиве «Гадово болото» Кировской лугово-болотной станции, на участках которого с 1975 г. бессменно возделывались: многолетние травы, пропашные культуры, однолетние травы. Контролем служила осушенная целинная торфяная почва под лесом. Одно поле было отведено под чистый пар.

Торфомассив сложен древесно-осоковым торфом средней мощности (1,1-1,8 м), средней степени разложения (36-64 %), зольность торфа колеблется в диапазоне 10,8 - 12,7 %. Освоенные почвы имеют слабокислую реакцию среды (рН 5,0- 5,3), среднюю обеспеченность подвижным фосфором (68,0-98,4 мг/100г) и низкую обменным калием (29,2-39,5 мг/100г).

Исследования проводили в полевых опытах. Схема опытов с сельскохозяйственными культурами представлена в табл. 5.

Все 4 опыта расположены рядом, на одном поле. Площадь каждого опыта с культурами 0,3 га. Повторность делянок в опытах с удобрениями четырехкратная. Расположение делянок систематическое, последовательное в 4 яруса. Учетная площадь делянки 100 м². Площадь парового поля 300 м².

Схемы опытов были разработаны в расчете на средние урожайности возделываемых культур и остаются неизменными по настоящее время. В течение 2005-2007 гг. возделывались: многолетние злаковые травы в травосмеси (кострец безостый, тимофеевка луговая, овсяница луговая в соотношении 1,0:0,8:1,2); однолетние травы (горохо-овсяная-райграсовая смесь); пропашные культуры (морковь кормовая). Паровое поле отведено под чистый пар. Здесь удобрения не вносили.

Из удобрений использовали аммиачную селитру, простой гранулированный суперфосфат и хлористый калий.

Все дозы удобрений вносили весной в один прием. Учет урожая проводили сплошным методом механизировано.

Для общей характеристики и исследования азотного режима торфяных низинных почв образцы отбирались послойно по всему профилю почвы с глубин 0-20, 20-40, 40-70, 70-100 см. Почвенные образцы отбирались путем закладки почвенного разреза и дополнительно глубинным почвенным буром по двум диагоналям в десяти точках каждого варианта опыта.

Все анализы в изучаемых торфяных низинных почвах проводились в трехкратной повторности.

Метеорологические условия по годам исследований несколько отличались от средних многолетних данных.

При исследовании отобранных образцов почв были выполнены следующие определения классическими и ГОСТовыми методами: рН водной и солевой вытяжек (ГОСТ 26483-85); зольность торфа (ГОСТ 11039-65); гидролитическая кислотность (ГОСТ 26212-91); сумма поглощенных оснований (ГОСТ 26487-85); степень насыщенности торфа основаниями (расчетным методом); общий азот в почве - мокрое озоление по методу Гинзбург (H₂SO₄ + HClO₄). После мокрого озоления применялся метод Кьельдаля (Практика по агрохимии, 1989); подвижные формы Р₂О₅ и К₂О - (ГОСТ 26207-91); кислотогидролизуемый азот - по методу Тюрина и Кононовой, щелочногидролизуемый азот - по методу Корнфилда, идентификацию форм азота по Бремнеру (Агрохимические методы исследования почв, 1975); нитратный азот (ГОСТ 27894.4-88); групповой и фракционный состав органического вещества - по методу Пономаревой, Плотниковой (К методике изучения органического вещества в торфяно-болотных почвах, 1959);

Анализ растений на качество проводили по общепринятым методам и нормативам. Химический состав (содержание сырого протеина, сырой клетчатки, сырой золы) и питательность кормов (содержание кормовых единиц, обменной энергии, перевариваемого протеина, азота, калия, фосфора и кальция) в соответствии с ГОСТами 13496.4-93, 13496.2-91, 26226-95, 26570-95, 26657-97, 13496.17-95

Основные анализы, полученные, в исследованиях, подвергались статистической обработке в программах MS Exсel 2003 и «Statistics».

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Изменение содержания валового азота в торфяной низинной почве при антропогенном воздействии

Результаты проведенных исследований показали, что содержание валового азота по профилям исследуемых почв колеблется в диапазоне от 1,85 до 2,19%. Наибольшим оно было в верхнем 20-ти сантиметровом слое почвы под пропашными культурами. В целом же, содержание валового азота в почвах под различными культурами и паром практически не отличалось от целинного аналога.

Запасы азота в 20-ти сантиметровом слое составляют от 10,1 до 13,9 т/га, а в метровом слое - от 31,4 до 48,8 т/га. Увеличение запасов азота связано с возрастанием степени разложения торфа и усилением гумификации органического вещества и, главным образом, с увеличением плотности почвы путем ее усадки и минерализации.

Изменение содержания легкогидролизуемого азота в торфяной низинной почве при антропогенном воздействии

По результатам исследований установлено, что содержание легкогидролизуемых форм азота заметно снижалось в почве под пропашными культурами и чистым паром, по сравнению с целиной почвой и почвами под однолетними и многолетними травами (табл. 1). Особенно отчетливо это выражено в верхнем 20-ти сантиметровом слое почвы, где минерализационные процессы идут особенно интенсивно. Такое снижение объясняется еще и тем, что если в почву под лесом и в почвы занятые однолетними и многолетними травами поступает свежее органическое вещество в виде лесного опада, корневых и пожнивных остатков однолетних и многолетних трав, то в почве под пропашными культурами и чистым паром такое поступление минимально.

Запасы легкогидролизуемых форм азота выражены менее конкретно, чем содержание. Это объясняется тем, что с увеличением минерализации почв (пропашные культуры и чистый пар) при уменьшении содержания легкогидролизуемых форм азота, возрастает плотность сложения почв, что ведет к относительному выравниванию запасов этих форм азота по сравнению с целинной почвой и почвой под многолетними травами. Так, как следует из табл. 1, если запасы в слое 0-40 см в целинной почве составили по щелочногидролизуемуму и кислотогидролизуемуму азоту 1,07 и 0,76 т/га, то в почве под многолетними травами 1,42 и 0,81 т/га, а под пропашными культурами 1,27 и 0,89 т/га соответственно.

Таблица 1. Содержание и запасы легкогидролизуемых форм азота в торфяных низинных почвах.

С увеличением глубины, различие в содержании легкогидролизуемых соединений между целиной и освоенными почвами постепенно нивелируется, что объясняется затуханием с глубиной микробиологических и минерализационных процессов.

Нитрифицирующая способность торфяных низинных почв

Нитрифицирующая способность исследованных торфяных почв различной интенсивности сельскохозяйственного использования довольно высокая. Почвы по этому показателю мало различаются между собой. Различие наблюдается в виде тенденции. Показано, что большей нитрифицирующей способностью обладают почвы, находящиеся под многолетними травами, т.е. используются с меньшей интенсивностью, а наименьшей - почвы под пропашными культурами, как используемые более интенсивно, где количество лабильных азотсодержащих соединений значительно снижено.

Распределение азота по фракциям органических соединений в торфяных низинных почвах при различной интенсивности

антропогенном воздействии

Данные по фракционному составу азотсодержащих органических соединений почвы методом Бремнера приведены в табл. 2.

В освоенных почвах содержание всех фракций гидролизуемого азота имеет тенденцию к снижению. Наименьшее его содержание отмечено в почве под пропашными культурами. Это снижение связано с увеличением минерализации и гумификации торфа. При этом значительно возрастает количество неидентифицированного азота и азота негидролизуемого остатка.

Фракция азота гексозаминов довольно лабильна и подвергается интенсивному распаду при освоении. Наименьшее содержание зафиксировано (0-20см) в почвах под пропашными культурами 136 мг/100г почвы и в парующей почве 147 мг/100г почвы. Количество азота гексозаминов также как и б-аминокислот снижается с глубиной - с 136 до 69 мг/100г почвы под пропашными культурами и с 147 до 82 мг/100 г почвы в почве под паром.

Содержание азота гексозаминов под многолетними (258 мг/100г

почвы) и однолетними (219 мг/100г почвы) травами, было выше, нежели в почвах под пропашными культурами и паром. Содержание этой фракции под многолетними травами находится практически на одном уровне с целинной почвой (271 мг/100г почвы).

Количество негидролизуемого азота, в исследованных почвах, постепенно возрастает с глубиной. Это объясняется усиленной гумификацией в нижележащих слоях и возрастанием степени разложения торфа. Наименьшее содержание негидролизуемого азота зафиксировано в целинной почве от 254 до 357 мг/100г почвы, а самое высокое в почвах под паром от 546 до 754 мг/100 г почвы и под пропашными культурами от 864 до 1265 мг/100г почвы. Его содержание находится в тесной обратной связи с количеством гидролизуемого азота.

Особенности состава органического вещества торфяной низинной почвы при разной интенсивности антропогенного воздействия

В наших исследованиях во всех освоенных почвах с глубиной (до 70см) увеличивается содержание валового углерода (табл. 3). Содержание валового углерода в более нижней части (70-100см) профиля осталось практически неизменным по сравнению с целинным аналогом.

Соотношение С/N по профилю всех исследованных торфяных почв находится в пределах от 18,2 до 20,7. Такой небольшой диапазон в различии этого показателя можно объяснить тем, что с освоением возрастет степень гумификации торфа и происходит увеличение содержания углерода, и еще в большей степени азота. Соотношение C/N в нижней части профиля всех исследуемых почв практически идентичны с целинным аналогом.

Из таблицы 3 видно, что в освоенных почвах идет накопление гуминовых кислот (ГК), в то же время количество фульвокислот (ФК) уменьшается. Фульвокислоты, имеют менее сложное строение и меньшую конденсированность по сравнению с гуминовыми кислотами. Кроме того, фульвокислоты обладают большей подвижностью, могут мигрировать и вымываться из почвенного профиля.

Таблица 3. Фракционный состав органического вещества торфяных почв в зависимости от интенсивности сельскохозяйственного использования.

Соотношение С_ГК:С_ФК в слое 0-20 см возросло с 1,2 в целинной почве до 2,2 в почвах подвергнутых сельскохозяйственному воздействию. С глубиной во всех разрезах наблюдается увеличение соотношения С_ГК:С_ФК. По классификации Д.С. Орлова (1990) здесь складывается фульватно-гуматный и гуматный тип гумуса. Максимально широкие отношения С_ГК:С_ФК обнаруживаются в нижних слоях исследуемых почв в основном глубже 20-40см.

Уменьшение негидролизуемого остатка наблюдается во всех освоенных почвах по сравнению с целинным аналогом.

Изменение запасов органического вещества торфяной почвы в зависимости от характера антропогенного использования

По результатам зондирования 2008 года, в таблице 4, приведены данные по изменению запасов органического вещества за 33 года использования торфяных почв.

Таблица 4. Измерение запасов органического вещества торфяной почвы в зависимости от характера и продолжительность использования.

Минимальная сработка торфа (1,48 т/га в год) происходит под многолетними травами, максимальная - под пропашными культурами (3,27 т/га в год). Около половины потерь под пропашными культурами связана с эрозионными процессами и технологическим отчуждением торфа при уборке урожая корнеплодов. Сравнительно невысокие потери органического вещества в паровом поле (1,67 т/га в год) обусловлены значительным возвратом в почву фитомассы, регулярно отрастающих и заделываемых при обработке сорняков. Промежуточное положение по этому показателю занимают однолетние травы - 2,76 т/га в год.

Основываясь на исследованиях, наши расчеты показывают, что метровая толща торфяной почвы после относительной стабилизации ее плотности сложения в условиях Кировской области будет полностью сработана под многолетними травами при их бессменном возделывании за 166 лет, под однолетними травами за 71 год и при возделывании пропашных культур за 55 лет. Это указывает на экологическую целесообразность возделывания многолетних трав на освоенных торфяных почвах.

Влияние уровня применяемых минеральных удобрений на продуктивность кормовых культур при бессменном возделывании

Как показала практика, сельскохозяйственного производства на торфяных почвах, при применении удобрений получают высокие и устойчивые урожаи сельскохозяйственных культур. В связи с этим значительный интерес представляет продуктивность возделываемых кормовых культур и окупаемость единицы удобрений сельскохозяйственной продукции.

В таблице 5 приведены средние данные по продуктивности кормовых культур за 7 лет.

Анализ продуктивности за 7 лет показал, что многолетние травы и однолетние культуры сплошного сева, обеспечивают более высокий сбор сухого вещества, сырого протеина и обменной энергии, по сравнению с кормовой морковью. Так, если в варианте без удобрений урожайность сухого вещества многолетних трав равнялась 33,2 ц/га, по варианту N₆₀P₆₀К₁₂₀ - 72,6 ц/га и при увеличении дозы минеральных удобрений N₉₀P₉₀К₁₅₀ - 77,4 ц/га, то по однолетним травам по этим же вариантам 39,8, 50,0 и 56,0 ц/га соответственно. Выход сухого вещества пропашных культур самый низкий и составляет - 21,4, 40,9 и 44,1 ц/га соответственно.

Анализ продуктивности кормовых культур по выходу сырого протеина показал (табл. 5), что ведущее положение здесь также занимают многолетние травы.

Таблица 5. Продуктивность кормовых культур в зависимости от уровня применения минеральных удобрений (в среднем за 2001-2007 гг.*)

Так, по вариантам при внесении минеральных удобрений выход протеина составил по многолетним травам 1147 и 1200 кг/га, по однолетним травам - 696 и 735 кг/га, а по пропашным культурам 397 и 429 кг/га.

По выходу обменной энергии продуктивность возделываемых культур по многолетним травам в варианте с минеральными удобрениями составляла 70,6 ГДж/га, а по пропашным культурам - 53,2 ГДж/га (табл. 5).

Анализ агрономической эффективности применяемых удобрений показал, что по этому показателю на 1 кг NPK удобрений приходится в среднем за годы исследований 5,15 кормовых единиц однолетних трав, 9,35 кормовых единиц многолетних трав и 9,45 кормовых единиц пропашных культур.

Расход органического вещества торфа на 1 кормовую единицу при возделывании исследуемых культур показал, что под многолетними травами он был минимальный и составил 0,53 кг, а при возделывании пропашных культур расход органического вещества был максимальным - 1,25 кг. Однолетние травы по этому показателю занимают промежуточное положение - 0,69 кг.

ВЫВОДЫ

1. Осушение и сельскохозяйственное использование торфяных низинных почв приводит к значительной трансформации их азотного фонда. Степень и глубина процессов этой трансформации определяются интенсивностью использования торфяной почвы, т.е. при всех прочих одинаковых условиях зависит от вида возделываемой культуры. За тридцатилетний период бессменного возделывания многолетних злаковых трав, пропашных культур и однолетних трав содержание общего азота в почве практически не изменилось, а его запасы в метровом слое почвы существенно увеличились по сравнению с целинным аналогом в зависимости от интенсивности использования почвы. Наибольшее содержание азота отмечено в почвах под пропашными культурами - 1,98 - 2,19 %, а наименьше в почве под однолетними травами - 1,69 - 1,95 %.

2. За тридцатилетний период бессменного возделывания культур содержание легкогидролизуемых форм азота (щелочногидролизуемого и кислотогидролизуемого) существенно снизилось в парующих почвах и под пропашными культурами. В почвах под многолетними и однолетними травами это снижение было минимальным.

3. Анализ фракционного состава азотсодержащих органических соединений почвы по Бремнеру показал, что при освоении в первую очередь идет снижение наиболее подвижных фракций почвенного азота (аммония, гексозаминов и б-аминокислот). Наиболее интенсивно это снижение шло в почвах под пропашными культурами и в парующей почве, где интенсивно проходят процессы минерализации. Количество негидролизуемого азота в общем азотном фонде с увеличением интенсивности сельскохозяйственного использования торфяных почв относительно возрастает.

4. При интенсивном использовании торфяных почв (пропашные культуры) происходит более резкое увеличение фракции гуминовых кислот и относительное уменьшение подвижных фракций фульвокислот, отношение С_ГК/С_ФК становится более широким по сравнению с почвами с менее интенсивным характером использования почв (многолетние травы).

5. Соотношение С:N в почвах интенсивного использования (пропашные культуры) более узкое (18,2 - 18,7) по сравнению с почвами с бессменным возделыванием многолетних трав (18,9 - 20,7) и целинной почвой (18,3 - 19,6).

6. Среднегодовая убыль органического вещества торфа определяется скоростью минерализационных процессов и технологией возделывания сельскохозяйственных культур. Наибольшие среднегодовые потери торфа за 32 летний период бессменного возделывания культур свойственны пропашным культурам (3,27 т/га), наименьшие - многолетним травам (1,48 т/га), однолетние травы по этому показателю занимают промежуточное положение (2,76 т/га).

7. Расчеты показывают, что метровая толща торфяной почвы после относительной стабилизации ее плотности сложения в климатических условиях Кировской области будет полностью сработана под многолетними травами при их бессменном возделывании за 166 лет; под однолетними травами за 71 год и при возделывании пропашных культур за 55 лет.

8. Длительное бессменное возделывание сельскохозяйственных культур, при одних и тех же дозах внесения минеральных удобрений, дает постоянную стабильную прибавку по отношению к контролю без удобрений: по сухой массе однолетних трав в среднем 32,5 %, пропашных культур - 104 % и многолетних трав - 125 %. При этом средняя окупаемость кормовой единицы 1 кг удобрения у однолетних культур 4,3-6,0 к.е., у пропашных культур 8,7-10,2 к.е. и у многолетних злаковых трав 8,2-10,5 к.е.

9. Затраты органического вещества торфа приходящиеся на производство 1 кормовой единицы минимальны при возделывании многолетних трав - 0,53 кг и максимальны при возделывании пропашных культур - 1,25 кг. Однолетние травы по этому показателю занимают промежуточное положение - 0,69 кг.

СПИСОК РАБОТ ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в рецензированных журналах, согласно перечню ВАК

1. Сивов А.А. Влияние различной интенсивности сельскохозяйственного использования торфяных почв на трансформацию их азотного фонда и продуктивность сельскохозяйственных культур / Царенко В.П., Уланов А.Н., Сивов А.А. // Известие Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. Санкт-Петербург: СПбГАУ, 2008. № 7. с. 23-26.

2. Сивов А.А. Влияние азотных удобрений на продуктивность и качество сена многолетних трав / Уланов А.Н., Царенко В.П., Сивов А.А. // Кормопроизводство. 2008. № 8. с. 11-14.

Остальные статьи

3. Сивов А.А. Трансформация азотного фонда торфяных почв северо-востока РФ в зависимости от интенсивности сельскохозяйственного использования / Царенко В.П., Уланов А.Н., Сивов А.А. // Сборник научных трудов: Научное обеспечение АПК в условиях реформирования. Санкт-Петербург: СПбГАУ, 2006. с. 93-97.

4. Сивов А.А. Азотный режим и продуктивность торфяных почв разной интенсивности антропогенного воздействия / Царенко В.П., Уланов А.Н., Сивов А.А. // Сборник научных трудов: Научное обеспечение АПК в условиях реформирования. Санкт-Петербург: СПбГАУ, 2008. с. 32-35.

5. Сивов А.А. Изменение состава органического вещества торфяной низинной почвы при бессменном возделывании различных сельскохозяйственных культур / Сивов А.А., Царенко В.П. // Гумус и почвообразование: Сб. научн. тр. СПбГАУ. 2008. - с. 8-11.

Размещено на Allbest.ru