Нитрификационная способность почв Удмуртии и ее связь с урожайностью сельскохозяйственных культур

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Азотный фонд почвы является важнейшей характеристикой ее плодородия и отражает, прежде всего, биоклиматические особенности природной зоны. В условиях интенсификации земледелия Нечерноземной зоны страны большое практическое значение имеет изучение процессов трансформации азота в системе растение - удобрение - почва. Азот, наряду с углеродом, водородом и кислородом, принадлежит к группе элементов-органогенов. Он входит в состав белков, нуклеиновых кислот, хлорофилла, ферментов, фосфатидов, большинства витаминов и других органических азотсодержащих соединений. Уже в этом заложена особая роль азота для земледелия. Особенно важным в почвенной диагностике остается вопрос о доступности растениям нитратного и аммонийного азота почвы.

Минеральные соединения азота (ионы аммония и нитраты) служат непосредственным источником питания растений этим элементом. Пока не всегда удается найти устойчивой зависимости урожая от их концентрации в почве, вследствие крайней изменчивости последней контроль за содержанием минерального азота имеет важное значение в диагностике азотного питания растений.

Актуальность данной темы заключается в том, что поскольку нитрификация является звеном в цепи реакций превращения азотсодержащих соединений, ее интенсивность может использоваться как интегральный показатель, характеризующий биологическую активность почв. Высокая активность нитрификации характерна для верхних горизонтов почв, обладающих значительным уровнем плодородия. Однако она снижается в результате ряда процессов, являющихся следствием антропогенной деятельности: уплотнения почв, ухудшения водного режима, разрушения почвенной структуры. Все это является следствием несоблюдения требуемых стандартов систем земледелия, потери гумуса, закисления и засоления почв и ряда других факторов. Отрицательное влияние на процесс нитрификации оказывает загрязнение почв органическими поллютантами и тяжелыми металлами. Однако следует учитывать, что при вовлечении в сельскохозяйственное использование новых земель, находящихся под естественной растительностью, происходит быстрая минерализация гумуса, сопровождающаяся высокой скоростью нитрификации. В данном случае этот показатель не может рассматриваться как показатель благополучия почвенной экосистемы. Таким образом, данный показатель пригоден для оценки более или менее стабильных природных или искусственных экосистем со сложившейся системой взаимодействий с внешними факторами.

Цель исследований: является повышение плодородия почв за счет нитрификационной способности и установление связи между нитрификационной активностью и урожайностью кукурузы.

Задачи:

1. Определить нитрификационную способность дерново-подзолистых, серых лесных и дерново-карбонатных почв Удмуртии в динамике.

2. Определить агрохимические свойства дерново-подзолистых, серых лесных и дерново-карбонатных почв и рассчитать связь нитрификационной способности почв с этими показателями.

3. Определить и рассчитать связь между нитрификационной способностью и урожайностью кукурузы на участках с различной степенью окультуренности почв..

4. Определить экономическую, энергетическую эффективность возделывания кукурузы на почвах с агрохимическими показателями плодородия почв.

Новизна исследуемой темы заключается в том, что нитрификационная активность дерново-подзолистой, серой лесной и дерново-карбонатной почв Удмуртской Республики ранее не была изучена.

1. Обзор литературы

1.1 Нитрификационная способность почв и ее влияние на урожайность сельскохозяйственных культур

Процесс нитрификации.

Аммиак, образующийся в почве, навозе и воде при разложении органических веществ, довольно быстро окисляется до азотистой, а затем азотной кислоты. Такой процесс называется нитрификацией.

До середины XIX в., до работ Пастера Л. явление образования нитратов объясняли, как химическую реакцию окисления аммиака атмосферным кислородом, а почва в этом процессе является катализатором. Пастер Л. предположил, что образование нитратов - микробиологический процесс. Доказательства о его гипотезе были получены Шлезингом и Мюнцем в 1879 г. Исследователи пропускали сточные воды через длинную колонку с песком и СаСО3. При фильтрации аммиак постепенно исчезал, а за тем образовывались нитраты. Разогрев колонки или внесение дезинфицирующих средств предотвращало окисление аммиака.

В 1890-1892 гг. Виноградский С.Н., применив особую методику, изолировал чистые культуры нитрификаторов. Было предположение, что нитрифицирующие бактерии не развиваются на обычных питательных средах, содержащих органические вещества, это объяснило провалы его предшественников.

Нитрифицирующие бактерии - хемолитоавтотрофами, которые используют энергию окисления аммиака или азотистой кислоты для образования органических веществ из СО2 (хемосинтез). Поэтому их клетки очень чувствительны к присутствию в среде органических соединений. Нитрификаторы получилось выделить на минеральных питательных средах.

Виноградский С.Н. выявил, что существуют две группы нитрификаторов: одна осуществляет окисление аммиака до азотистой кислоты (NH+4>NOЧ2) - первая стадия нитрификации, другая - окисление азотистой кислоты до азотной (NO2>NO3) - вторая стадия нитрификации.

Обе группы бактерий относят к семейству Nitrobacteriaceae (одноклеточные грамотрицательные бактерии). Их размеры клеток составляют от 0,3 до 1 мкм в ширину и от 1 до 3 мкм в длину. Существуют подвижные и неподвижные формы с полярным, субполярным и перитрихальным жгутикованием.

Размножение бактерий представлено делением, зa исключением Nitrobacter, для которого характерно почкование. Хорошо развита система внутрицитоплазматических мембран, значительно различающихся по форме и расположению в клетках отдельных видов.

Бактерии первой стадии нитрификации представлены родами: Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus и Nitrosovibrio.

Более подробно изучен Nitrosomonas europaea. Он представляет собой короткие овальные палочки размером 0,8-1Ч1-2 мкм. В жидкой культуре клетки Nitrosomonas проходят несколько фаз развития. Две главные из них представлены подвижной формой и неподвижными зооглеями. Подвижная форма обладает субполярным жгутиком.

Вторая стадия нитрификации осуществляются представителями родов Nitrobacter, Nitrospira и Nitrococcus. Наибольшее число исследований проведено с Nitrobacter winogradskyi, однако описаны и другие виды (например, Nitrobacter agilis). Клетки нитробактepa имеют удлиненную, клиновидную или грушевидную форму, более узкий конец часто загнут в клювик, размеры клеток - 0,6-0,8Ч1-2 мкм. При почковании дочерняя клетка обычно подвижна, так как имеет один полярный жгутик. Известно чередование в цикле развития подвижной и неподвижной стадий.

Нитрифицирующие бактерии развиваются при рН 6,0-8,6, оптимальная реакция среды составляет рН 7,5-8,0. При значениях ниже рН 6 и выше рН 9,2 бактерии не развиваются. Оптимальная температура для развитияь - 25-30 °С. Изучение отношения различных штаммов Nitrosomonas europaea к температуре показало, что некоторые из них имеют оптимум развития при 26 °С или около 40 °С, другие способны довольно быстро расти при 4 °С.

Нитрификаторы - облигатные аэробы. Используя кислород воздуха, они окисляют аммиак до азотистой кислоты (первая стадия нитрификации):

NH4+ + 3/2О2 > NO2- + Н2О + 2H+

а затем азотистую кислоту до азотной (вторая стадия нитрификации):

NO2 + 1/2О2 > NO3

Следовательно, аммиак является продуктом жизнедеятельности аммонифицирующих бактерий - использует для получения энергии Nitrosomonas, а нитриты, образующиеся в процессе жизнедеятельности последних, служат источником энергии для Nitrobacter.

Процесс нитрификации протикает на цитоплазматической и внутрицитоплазматических мембранах и проходит в несколько этапов. Первичным продуктом окисления становится гидроксиламин, затем превращающийся в нитроксил (NOH) или пероксонитрит (ONOOH), последний - в нитрит, а нитрит в нитрат.

Весь процесс нитрификации иллюстрирует следующая схема:

Нитроксил, как и гидроксиламин может димеризоваться в гипонитрит или преобразоваться в закись азота - побочный продукт нитрификации. Кроме первой реакции (образования гидроксиламина из аммония), все последующие сопровождаются синтезом макроэргических связей в виде АТФ.

Нитрификаторы осуществляют фиксацию СО2 через восстановительный пентозофосфатный цикл (цикл Кальвина). В результате последующих реакций образуются не только углеводы, но и другие жизненно необходимые для бактерий соединения - белки, нуклеиновые кислоты, жиры и т. д.

На протяжении долго времени нитрифицирующие бактерии относили к облигатным хемолитоавтотрофам. Затем появились данные о способности этих бактерий использовать некоторые органические вещества. Выявлено стимулирующее действие на рост Nitrobacter нитрита, дрожжевого автолизата, пиридоксина, глутаминовой кислоты и серина. Со временем, у нитрифицирующих бактерий появилась способностью переходить с автотрофного на гетеротрофное питание. В природе такие бактерии хорошо развиваются в черноземах, навозе, компостах, т. е. в местах, где содержится много органического вещества.

Указанное противоречие оказывается несущественным, если сравнивать количество легкоокисляемого углерода в почве с теми концентрациями органического вещества, которые нитрификаторы должны выдерживать в культурах.

Органическое вещество в почве представлено гуминовыми веществами, на которые приходится в черноземе 71-91 % общего углерода, а легко усвояемые водорастворимые органические вещества - не более 0,1 % общего углерода. Следовательно, нитрификаторы не встречают в почве больших количеств легкоусвояемого органического вещества.

Аккумуляция нитратов проходит с разной интенсивностью на разных почвах. Чем плодороднее почва, тем больше соединений азотной кислоты она может усвоить. Существует метод определения доступного растениям азота в почве по показаниям ее нитрификационной способности. Следовательно, интенсивность нитрификации можно использовать для характеристики агрономических свойств почвы.

При нитрификации происходит лишь перевод одного питательного для растений вещества - аммиака в другую форму - азотную кислоту. Нитраты, в свое время, обладают некоторыми отрицательными свойствами. В то время как ион аммония усваивается почвой, соли азотной кислоты достаточно легко вымываются из нее. Кроме того, нитраты восстанавливаются в результате денитрификации до N2, что также снижает азотный запас почвы. Все перечисленное значимо снижает коэффициент использования нитратов растениями.

В растении соли азотной кислоты перед включением в синтез должны быть восстановлены, на что тратится энергия. Аммоний же используется непосредственно. Поэтому ученые поставили вопрос о возможности искусственного снижения интенсивности нитрификации при помощи ингибиторов, снижающих активность нитрификаторов и безвредных для других организмов. Ингибиторы нитрификации угнетают только первую стадию нитрификации и не действуют на вторую, а также на гетеротрофную нитрификацию. При применении ингибиторов нитрификации эффективность азотных удобрений повышается с 50 до 80%.

Гетеротрофная нитрификация. Способны осуществлять нитрификацию и некоторые гетеротрофные микроорганизмы. К ним относятся бактерии из родов Pseudomonas, Arthrobacter, Corynebacteriит, Nocardia и отдельные виды грибов из родов Fusarium, Aspergillus, Penicillium, Cladosporium. Установлено, что Arthrobacter sp. в присутствии органических субстратов вызывает окисление аммиака с образованием гидроксиламина, а затем нитрита и нитрата. Некоторые бактерии вызывают нитрификацию таких азотсодержащих органических веществ, как амиды, амины, гидроксамовые кислоты, нитросоединения (алифатические и ароматические), оксимы и др. Однако считают, что гетеротрофная нитрификация не является источником энергии для перечисленных организмов.

Гетеротрофная нитрификация встречается в естественных условиях (почвах, водоемах и других субстратах). Она может приобретать главным значением, особенно в атипичных условиях (например, при высоком наличие органических С- и N-соединений в щелочной почве и т. п.).

Гетеротрофная нитрификация не только позволяет протекать окислению азота в таких условиях, но и вызывать образование и накопление токсичных элементов, соединений канцерогенного и мутагенного, а также химиотерапевтического действия.

В результате того, что некоторые из перечисленных соединений вредны для человека и животных даже в относительно низких концентрациях, основательно изучается возможность их формирования в природе.

Нитрификационная способность почв

На протекание нитрификации в почве влияют различные факторы.

Температура. При температуре почвы от 10 до 30 °С скорость нитрификации резко увеличивается. Повышение температуры почвы выше 35 градусов резко снижает процесс нитрификации, поскольку бактерии не могут выносить высокие температуры.

Изучение влияния температуры на нитрифицикацию почвы показало, что при отрицательных температурах (10 … 5 °С) содержание нитратного азота было невысоким и не превышало 43,9 мг/кг, что объясняется пассивностью нитрифицирующих микроорганизмов.

С повышением температуры почвы до +15…+35 °С возрастало содержание нитратного азота. При такой температуре была наибольшей нитрифицирующая способность почвы - 31,9 мг/кг.

Влага. Недостаток влаги неблагоприятно сказывается на процессе нитрификации. При небольшой влажности в 20 % от полной влагоемкости (что соответствует 7,3 % от веса почвы) нитрификация практически не происходит. При влажности в 40 и 60% от влагоемкости процесс проходит интенсивно, а при избытке увлажнении (80-90 %) энергично развиваются процессы денитрификации, которые приводят к полной потери из почвы азотной кислоты.

Исследования показали, что процесс нитрификации начинает происходить уже при влажности почвы 5 % (15 % ПВ). При дальнейшем повышении влажности почвы содержание NNO3 возрастало, достигая максимума при влажности 20-25 % (60 75 % ПВ). При этом содержание аммонийного азота снижалось. Последующее увеличение влажности почвы привело к замедлению процесса нитрификации, тем самым отразилось на снижении содержания нитратного и повысило содержания аммонийного азота в дерново-подзолистой среднесуглинистой почве.

Кислотность. Наиболее благоприятная реакция среды для процесса нитрификации является оптимальная величина рН 7-9. Возможна нитрификация и при рН 6-7.

В исследованиях Макарова В.И. выявлено, что на дерново-подзолистых почвах при рНсол 5,6-6,0 усредненная нитрификационная способность составила 14,4 мг/кг, а при рН 5,1-5,5 снизилась до 11,4 мг/кг.

При рНKCL менее 4,0 ед. происходит сильное снижение нитрификационной способности почв при одновременной аккумуляции аммонийного азота в них.

Плотность почвы. С увеличением плотности почвы с 1,1 до 2,0 г/см3 содержание нитратного азота в почве снижается. Максимальное содержание нитратного азота наблюдалось при плотности 1,1 г/см3, а наименьшее при плотности 2,0 г/см3. Нитрифицирующая способность почвы снижается аналогичным образом. Увеличение плотности почвы приводит к повышению содержания аммонийного азота и аммонифицирующей способности.

Данные, свидетельствующие о положительном влияние уплотнения на различные свойства почвы, в том числе на процессы нитрификации. По мнению В.В. Медведева, оптимальным значением плотности на черноземных почвах для возделывания зерновых культур является плотность от 1,10 до 1,12 г/см3. В ходе исследования Нестеровой Л.Б. (Алтайский государственный аграрный университет) были выявлены оптимальные значения плотности от 1,01 до 1,05 г/см3. Процессы нитрификации стимулируются при плотности 1,05 г/см3, при этом обеспеченность почв нитратной формы азота достигает среднего уровня. Процессы аммонификации оптимальны при плотности от 1,01 до 1,03 г/см3. Возможно, это обусловлено тем, что нитрификация может проходить при наиболее высокой плотности почвы, в отличие от процессов аммонификации.

Гумус. Содержание гумуса в значительной степени влияет на увеличение нитратного азота. Но, к сожалению, оно закономерно растет с юга (степная зона) 3-4 % на север (лесостепная зона) 6-7%, для Нечерноземной зоны - 1-3 %. Так же как снижается сумма эффективных температур. Соответственно идеальные условия для накопления нитратов в почве расположены в южной лесостепной зоне с содержанием гумуса 5-6 %.

Удобрения. Нитрификационная способность почвы значительно повышается при внесении навоза, что особенно заметно с внесением севооборотной площади. Причем активность возрастает не только в обрабатываемом слое, но и в подпахотном: если в слое 0-30 см она в среднем увеличилась в 1,8 раза, то в подпахотном слое - в 3,4 раза.

Совместное применение минеральных удобрений и навоза в их комбинациях приводит к еще более значительному росту нитрификационной способности почвы. При одинарных дозах минеральных удобрений на фоне внесения навоза нитрификационная способность почвы в пахотном слое возрастает в 1,9 раза, в подпахотном - в 4,3 раза. При внесении двойных доз минеральных удобрений количество нитратного азота после компостирования в слое 0-30 см в среднем возрастает в 2 раза.

Мульчирование почв соломой с применением безотвальной обработкой и запашкой соломы на глубину 10-13 см увеличивают нитрификационную способность серых лесных почв по сравнению с вспашкой в 1,5-3,3 раза в слое 0-10 см не смытых почв, в 1,7-7,0 раз в верхнем слое среднесмытых почв. На глубине 10-20 см способность почв к нитрификации остается на уровне контроля (плоскорезная обработка) или увеличивается в 1,2-2,0 раза на остальных вариантах.

Предшественники. Отмечено повышенное содержание нитрификационной способности почвы при интенсивном сельскохозяйственном использовании почвы. Ее наибольшая величина была определена для почвы чистого пара (45,0-46,3 мг/100 г почвы/сут). Возделывание сидеральных и особенно парозанимающих культур вызывало к уменьшению способности почвы к нитрификации по сравнению с чистым паром. Под озимой пшеницей повышенную нитрификационную активность имели те варианты, где поступление свежей зеленой массой сочеталось с внесением навоза. Нитрификационная способность почвы в этом варианте превышала 80 мг/100 г почвы/сут (в 4 раза).

Минимальное значение нитрификационной способности почвы выделялась вариантом озимой пшеницей. Самой низкой она была в варианте с размещением этой культуры после черного пара (20,8-21,7 мг/100 г почвы/сут). Почва залежи являлась низкой способностью к нитрификации (6,6-10.3 мг/100 г почвы/сут).

Обработка почвы. Оптимальной обработкой, обеспечивающей максимально высокий уровень процессов нитрификации, является плоскорезная обработка, по сравнению с отвальной вспашки и нулевой обработки. Другие изученные факторы обеспечивают средний уровень нитрификации 25 мг/кг и более (максимально возможный) [Нестерова Л.Б., 2009].

При использовании отвальной вспашки отмечается устойчивая направленность к возрастанию нитрификационной способности в сравнении с мелкой безотвальной (чизелевание, дискование) обработкой почвы, а также повышение содержания нитратного азота на 3-4 мг/кг [Цилюрик А.И., 2017].

Нитрификационная способность в среднем для слоя 0-40 см почвы в контроле (без удобрения) при вспашке была в плодосменном севообороте больше в 1,8 раза, чем в зернопропашном, и в 4,4 раза, чем в зернопаропропашном. При мелкой обработке почвы нитратный азот усваивается больше в зернопропашном и плодосменном севооборотах. В зернопаропропашном севообороте наблюдается его снижение в 1,4 раза [Уваров Г.И., 2009].

Применение пестицидов. В исследованиях в ГНУ ВНИИЦиСК Россельхозакадемии (г. Сочи), было выявлено, что нитрификационная способность почвы усиливается при обработке 10-кратной дозой фунгицидов (Делан, Хорус, Децис, Неорон, Демитан) активация данного процесса имела существенный результат. Нитрификация агроценозов активизировалась с повышением температурного фактора и доз пестицидов, тем самым проявляя кумулятивный эффект [Беседина Т.Д., 2009].

Гербициды, используемые в борьбе с сорняками при возделывании овощных культур, существенно не влияют на развитие нитрифицирующих бактерий [РГАУ-МСХА…, 2018]. Не установлено различия в численности нитрифицирующих бактерий на площадях, не обработанных и обработанных гербицидами: симазином (2 кг/га), булпуром (32 кг/га), арезином (1,5-2 кг/га), преванолом 56 (24 кг/га), А-1803 (2 кг/га), димидом (6 кг/га) и аретаном (6-8 кг/га). Следовательно, нитрифицирующие бактерии относятся к почвенным микроорганизмам, слабо реагирующим на внесение гербицидов, если их не применяют в высоких дозах [РГАУ-МСХА…, 2018].

Применение известковых мелиорантов. Величина нитрификационной способности обусловливается интенсивностью биологических процессов, приводящих к образованию легкорастворимых минеральных форм азота, являющихся надежными показателями обеспеченности почвы доступными для питания растений азотом [Минее В.Г., 2004]. Нитрификационная способность луговой черноземовидной почвы на фоне всех систем удобрения ниже, чем в варианте без применения удобрения на 25-38% [Науменко А.В., 2017]. При внесении извести нитрификационная способность почвы повышается по всем системам удобрения - в 1,7-2,7 раза относительно фона без известкования, что также свидетельствует об увеличении минерализационных процессов и улучшения обеспечения растений азотом [Науменко А.В., 2017].

1.2 Влияние нитрификационной способности почв на урожайность сельскохозяйственных культур

Улучшения продуктивности сельскохозяйственных угодий обусловлено условиями формирования урожая, в частности, с корневым питанием, находящиеся в тесной связи с жизнедеятельностью почвенных микроорганизмов (нитрификаторы), осуществляющие биологический круговорот элементов питания растений [Мишустин Е.Н., 1963].

Нитрификация оказывает особое влияние на продуктивность почвы и, в собственно, на урожай сельскохозяйственных культур. Поэтому нитрификационная способность является одним из главных показателей эффективного плодородия почвы [Умаров М.М., 2007].

В одной из научных работ Шафрана Е. С. (Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии им. Д.Н. Прянишникова), была изучена возможность использования различных методов определения доступных форм азота в почвах для прогнозирования эффективности азотных удобрений, вносимых под ячмень яровой, и определение влияния на прибавку урожая на карбонатных и южных черноземах [Шафран С.А., 2016].

Использованные методы диагностики азотного питания ячменя ярового обеспечили удовлетворительным результатом. Метод определения нитрификационной способности почв в карбонатных и южных черноземах дал рост урожайности и получение среднего по величине корреляционного отношениями (r = 0,33-0,45) [Шафран С.А., 2016].

В проведенных исследованиях Воробьевой Н.С. (в условиях Республики Беларусь) определялось количество подвижного и легкодоступного азота, аммонификации и нитрификации на участке (опытное поле БГСХА) и взаимосвязь урожайности ярового рапса Явар. Взаимосвязь урожая с нитрификационной способностью в целом характеризовалась коэффициентом корреляции 0,62 и зависит от уравнения регрессии у = - 1,90 + 0,18х. Полученное уравнение регрессии способствует прогнозировать величину урожайности культуры в зависимости от наличия подвижного азота в почве [Воробьева Н.С., 2008].

В опыте исследования Монжосова В.П. (сельскохозяйственная академия им. Тимирязева) проводилось изучение закономерности изменения и степень оптимизации агрофизических, агрохимических и биологических свойств дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы и продуктивностью пропашного севооборота [Монжосов В.П., 1991]. Между урожайностью пропашных культур (кукуруза, картофель) и нитрификационной способностью пахотного (0-20 см) слоя почвы выявлена прямая сильная корреляция (коэффициент корреляции 0,76±0,16), а между урожайностью пропашных культур и нитрификационной способностью подпахотного (20-40 см) слоя - прямая средняя (коэффициент корреляции 0,62±0,20) [Монжосов В.П., 1991].

Изучение биологической активности черноземновидной почвы при использовании различных систем удобрений Пилецкой О.А. в исследованиях был проведен линейный корреляционный анализ взаимосвязи урожайности пшеницы с биологической активностью почвы [Пилецкая О.А., 2005]. Статистически значительную прямую связь урожайность имеет с нитрификационной способностью почвы (r = 0,919 и 0,934). Таким образом, зависимость урожайности пшеницы от биологической активности (нитрификационной способности) почвы носит переменный характер, что приводит значительные трудности для обнаружения обоснованных связей такого важного показателя эффективного плодородия почвы, как урожайность культуры с биологической активностью почвы [Пилецкая О.А., 2005].

Результаты исследований, проведенных в Тамбовском НИИ сельского хозяйства, показывают, что типичный мощный чернозем имеет высокую нитрификационную способность почвы и в слое 0-20 см может накопить ниратного азота до 129 кг/га [Полевщиков С.П., 2005]. Двухлетние данные (1969-1970 гг.) показали, что энергия протикания нитрификационного процесса на посевах сахарной свеклы в звене севооборота с чистым паром в значительной степени выше, чем с занятым (гороховым паром) [Полевщиков С.П., 2005]. Это преимущество отмечается до августа - сентября, после чего оно пропадает. Данные исследований показали также, что у озимой ржи существует положительная корреляция между урожаем и содержанием нитратов до и после компостирования (r = - 0,579 и 0,617). По остальным культурам такой зависимости не наблюдается, поскольку коэффициент корреляции здесь изменяется от r = - 0,045 до 0,169 [Полевщиков С.П., 2005].

Рассмотрим примеры исследований нитрификационной способности почв в России и для сравнения за рубежом.

В Днепропетровском проектно - технологическом центре охраны плодородия почв и качества продукции проводились исследования на трех типах почв ? чернозема обыкновенного малогумусного, лугово-черноземной почвы, луговой почвы ? изучалась кинетика образования нитратного азота в условиях различных температур и влагосодержания этих почв [Жученко С.I., 2010].

В проведенном лабораторном эксперименте использовалась данная методология обработки результатов, что позволило получить набор величин, определяющих скорость и суммарную емкость процесса нитрификации, которые в дальнейшем использованы в расчетах количества образовавшегося в почве N-NO3 - в привязке к температурному режиму и влагосодержанию в почве [ДСТУ 4727-2007].

Используя принципы ферментативной кинетики и классической термодинамики, можно значительно повысить информативность результатов. Преобразовав в соответствии нитрификации и температуры воздуха (21 °С и 28 єС), получились близкие к линейным (y = - 0,086x + 0,2837; y = - 0,0419x - 0,4628) зависимости с высоким коэффициентом значимости r = 0,99 [Жученко С.I., 2010].

В Гродненском государственном аграрном университете (Беларусь) проводились исследования дерново-подзолистых почв в условиях длительного применения повышенных норм удобрений [Тарасенко С.А., 2009]. Выявлено, что длительное применение органических, минеральных и известковых удобрений в значительной степени изменяет биологическую активность почв. Наблюдалось увеличение способности почвенных ферментов осуществлять окислительно-восстановительные реакции - активность каталазы возросла на 16-30 % [Тарасенко С.А., 2009]. Ферменты, осуществляющие превращения мочевины (уреазы), свою активность не изменили, что связано содержанием амидной формы азота в легких почвах, где она не накапливается в процессе вегетации сельскохозяйственных растений и быстро нитрифицирцируется до нитратов. Это проявляется в изменении нитрификационной способности почв, которая за десятилетний период возрос на 32-37 % [Тарасенко С.А., 2009].

Россия занимает первое место в мире по площадям земель, находится в пятерке лидирующих стран по площади пашни и природным ресурсам, имея необходимые природные условия для обеспечения продовольственной безопасности страны [Романенко Г.А., 2008]. Однако по эффективности использования земельных ресурсов, по продуктивности пашни в 2-3 раза отстает от стран с сопоставимыми площадями (США, Китай) и от среднего мирового уровня [Романенко Г.А., 2008].

Плодородие почвы в свою очередь формируется из совокупности агрохимических показателей, которые определяют при агрохимической характеристике почвы (чаще определяют содержание органических веществ, обменного калия и подвижного фосфора, кислотность почвы, сумму обменных оснований). Наиболее сложным является оценка подвижных форм азота в почвах, поэтому чаще всего данный показатель не указывают. Разработано множество аналитических методов определения форм почвенного азота [Кирюшин В.И., 2005]. Однако по разным причинам они не были внедрены в систему государственного мониторинга плодородия земель России. Наиболее перспективным методом оценки содержания подвижных форм азота в почве является их нитрификационная способность [Кирюшин В.И., 2005].

Изучением нитрификационной активности почв при разных условиях агротехнического влияния занимался Щур А.В. (Белорусско-Российский университет, г. Могилев). В проведенных исследованиях изучалось изменения нитрификации почв под влиянием различных способов обработки почвы и различных вариантов внесения удобрений и влияние двух способов обработки почвы (вспашка, дискование) при возделывании пелюшко-овсяно-райграсовой смеси, картофеля, ячменя с подсевом клевера. Наиболее высокая нитрификационная активность почвы отмечалась в апреле до закладки опыта (88-92 мг/кг почвы в первый год эксперимента, 72-77 мг/кг почвы во второй год опыта), что свидетельствует о подходящих условиях для превращения азотных соединений и накопления нитратного азота в этот период. После уборки пелюшко-овсяной смеси содержание нитратного азота в первом году опыта уменьшилось в 2,3 раза, а во втором - в 1,3. Показатели нитрификационной активности при вспашке в среднем за 2 года по всем вариантам были ниже на 6,8 %, чем на вариантах с дискованием. Наиболее высокая нитрификационная активность почвы под картофелем, как и под пелюшко-овсяно-райграсовой смесью, наблюдалась в апреле (69-77 мг/кг почвы в первом году опыта и 81-154 мг/кг во втором) [Щур А.В., 2015]. Внесение минерального удобрения на навозном фоне (40 т/га) способствовало значительному накоплению нитратов: в варианте 40 т + NPK до 97,7 (с оборотом пласта) и до 134,9 мг/ кг (без оборота пласта) по сравнению с контролем (72,4-77,6 мг/кг) [Щур А.В., 2015].

В Белгородском научно-исследовательском институте сельского хозяйства в опыте проводились исследования плодородия почв чернозема типичного. Влияние способов основной (вспашка, безотвальная и минимальная) обработки почвы в плодосменном и зернопропашном севооборотах с применением минеральных (азофоска - N90P60K60) и органических удобрений (навоз - 40 т/га). Нитрификационная способность на варианте без удобрений была самой низкой в плодосменном севообороте под вспашкой - 44,7 мг/кг, такая же ситуация наблюдалась и в зернопропашном севообороте - 54,7 мг/кг. Применение минеральных удобрений увеличило нитрификационную способность на всех вариантах, за исключением варианта с минимальной обработкой. Внесение органических удобрений положительно повлияло на нитрификационную способность на варианте со вспашкой. Совместное внесение удобрений как минеральных и органических оказывает большое влияние на нитрификациионную способность чернозема типичного. Лучшими показателями являются в плодосменном севообороте [Ореховская А.А., 2016].

В научной работе Цыгановой Н.А. проведено исследование окультуривания дерново-подзолистых почв разных по генезису и длительное применение удобрений на хорошо окультуренных почвах [Цыганова Н.А., 2016].

Верхние горизонты целинных аналогов изучаемых почв характеризовались слабой нитрификационной способностью (3-14 мг/кг) низким содержанием легкогидролизуемых (15-3 3 мг/кг) и минеральных (7-16 мг/кг) соединений азота [Цыганова Н.А., 2016]. Это служит еще одним подтверждением не благоприятности азотного режима легких дерново-подзолистых почв. Нитрификация в нижней части профилей крайне слабая (0-6 мг/кг) и сохранялась на уровне целинных аналогов пахотном слоем. Содержание легкогидролизуемого азота и нитрификационная способность имели тенденцию к увеличению [Цыганова Н.А., 2016]. Более заметные положительные изменения рассматриваемых показателей азотного состояния наблюдались на стадии средней и, особенно, хорошей окультуренности [Цыганова Н.А., 2016].

Изучение динамики подвижных форм азота в полях севооборота на дерново-карбонатной почве (Иркутская область), было проведено исследование миграции нитратов и аммиака и сохранение их в почве в осенне-зимний период Мальцевым В.Т.

Главным фактором, влияющим на перемещение минерального азота вниз по профилю почвы, является водопроницаемость и осадки, выпадающие в течение теплого времени года. Дерново-карбонатные почвы обладают очень высокой водопроницаемостью [Мальцев В.Т., 1966].

Установлено, что миграция нитратов вниз по профилю в дерново-карбонатной почве имеет место в поле пара и частично кукурузы и происходит она в июле-августе, совпадая с максимальным выпадением осадков [Мальцев В.Т., 1966].

В весенний период, когда количество нитратов в пахотном слое невелико и осадков выпадает мало, в нижних горизонтах (30-100 см) было найдено небольшое количество нитратного азота до 4,8 мг/кг [Мальцев В.Т., 1966]. По мере накопления нитратов в пахотном слое и увеличении количества осадков, возрастает и миграция нитратного азота в нижние горизонты [Мальцев В.Т., 1966]. Нитрификация в слое 30-100 см в июле-сентябре увеличилось в 15 раз по сравнению с майским содержанием и составило 47-64 % от общей нитрификации в метровом слое [Мальцев В.Т., 1966].

По мере уменьшения осадков отмечено уменьшение выноса нитратов в нижние горизонты. Перемещение нитрификации вниз хорошо коррелировало с движением влаги в почве [Мальцев В.Т., 1966].

В одной из многочисленных научных работ академика Антипова-Каратаева И.Н. было посвящено изучению исследования физико-химических и агрономических свойств почв Южного берега Крыма [Антипов-Каратаев И.Н., 1929]. Академиком было изучено интенсивность процесса нитрификации от генезиса почвы. Исследование процесса нитрификации и влияние на нее органических удобрений в темно-серой лесной почвы было приурочено к опытному участку отдела лекарственных и технических растений Никитского Сада. Наблюдения показали, что процесс нитрификации совершается исключительно в поверхностном слое почвы. Результаты данного исследования свидетельствуют о том, что на свободных и разрыхляемых участках этот процесс распространяется глубже, но накопление нитратов совершается также главным образом в самом поверхностном слое почвы 0-10 см; в следующем горизонте, 10-25 см, наблюдаются меньшие количества нитратов, причем на делянке № 2, расположенной ближе к подошве склона, различие в содержании нитратов в указанных слоях проявляется более контрастно [Антипов-Каратаев И.Н., 1929].

В научной деятельности Кидина В.В. проводились исследования горизонтов (Ап, А2В и В) дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы, изучались рыхления почвы при разных режимах аэрации интенсивность дыхания почвы, процессов нитрификации и денитрификации.

Выявлено, что условия аэрации воздействуют не равномерно на интенсивность протекания нитрификации в почве пахотного и подпахотных горизонтов. Снижение концентрации О2 в воздухе до 5% оказывало негативное действие на нитрификацию, вследствие чего более 60% внесенного азота оставалось в аммонийной форме. В почвах с целостной структурой, отобранных из горизонтов 30-40 и 60-70 см, нитрификация N-NН4+ протекала достаточно медленно и практически не зависела от концентрации О2 в надпочвенном воздухе в диапазоне 5 - 21%. К концу опыта (45 дней) в этих почвах 85-98% N-NН4+ оставалось в аммонийной форме.

Интенсивное рыхление почв способствовало перераспределению микроорганизмов в почве, что существенно повышало активность нитрификаци по сравнению с почвами с целостной структурой. В почве пахотного слоя, компостируемой в газовой среде с содержанием 21 и 10% О2, внесенный аммонийный азот (40 мг N-NН4+ на сосуд) был практически полностью нитрифицирован за 30 дней. Однако при компостировании этой почвы в газовой среде, содержащей 5% О2, нитрификация протекала менее интенсивно, вследствие чего к концу опыта (45 дней) в почве оставалось около 60% внесенного аммонийного азота. Более значительное влияние на интенсивность прохождения нитрификации оказывало рыхление почв подпахотных горизонтов А2В или В. При этом активность нитрификации в этих почвах обусловливалась в основном условиями аэрации во время компостирования и не зависела от глубины взятия почвы.

В Пермской государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н. Прянишникова, проводились исследования биологической активности дерново-мелкоподзолистой тяжелосуглинистой почвы [Мудрых Н.М., 2013]. Анализ исследуемой почвы показал, что процесс нитрификации как в пашне, так и в залежи была одинаково низкой и составила 0,8-1,4 мг N-NO3/кг почвы [Мудрых Н.М., 2013]. Самая низкая нитрифицирующая способность наблюдается в залежи, где условия для деятельности нитрификаторов менее благоприятные, из-за нехватки кислорода и очень низкого содержания гумуса в почве [Мудрых Н.М., 2013].

Исследования (1995-2006) азота текущей нитрификации в выщелоченных черноземах от разных условий увлажнения на посевах яровой пшеницы Абрамовым Н.В. было установлено, что количество азота текущей нитрификации существенно варьируется и составляет 60 кг/га. Максимум был отмечен в 1995 г. - 89 кг/га, что на 50% больше средних значений, в 1998 г. активность нитрификации достигла 46 кг/га [Абрамов Н.В., 2009].

Незначительная разница в количестве азота текущей нитрификации во влажные и сухие годы указывает на то, что интенсивность нитрификации зависит от осадков первой половины вегетации, когда температура почвы оптимальна для нитрифицирующей микрофлоры [Абрамов Н.В., 2009].

Нитрификационная способность почв Удмуртии.

Согласно Почвенно-географическому районированию территории России (1962) основная земельная площадь Удмуртской Республики отнесена к Вятско-Камской провинции южно-таежной подзоны дерново-подзолистых почв, а южные ее районы - к Предуральской провинции серых лесных почв северной лесостепи [Ковриго В. П., 1964].

В Удмуртии основными типам почв являются дерново-подзолистые (преобладают), серые лесные оподзоленные и дерново-карбонатные. Главные особенности географического распространения почв: в северной и центрально-восточной частях республики среди преобладающих дерново-подзолистых суглинистых почв повсеместно встречаются дерново-карбонатные и серые лесные оподзоленные почвы; в центрально - западной части преобладают дерново-подзолистые песчаные и супесчаные, а в южной - серые лесные оподзоленные, дерново-карбонатные и местами дерново-подзолистые почвы [Караваев В. Н., 1958]. Кроме этих почв на всей территории республики встречаются пойменные дерновые аллювиально-слоистые и зернистые, овражно-балочные почвы и небольшие площади дерново-глеевых, болотных болотно-подзолистых почв [Караваев В. Н., 1958].

Изучением основных видов почв Удмуртской Республики занимался заслуженных деятель науки, ученый-почвовед, доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры агрохимии и почвоведения Ковриго В.П.

Одна из многих научных работ приведена в монографии «Почвы Удмуртской Республики». В ней освещается краткая история изучения почв республики, природные условия почвообразования, генезис, классификация, комплекс свойств и режимов основных типов лесных и пахотных почв. Многие результаты исследований свойств и режимов почв являются единственными для восточно-европейской части Нечерноземной зоны России, а некоторые новыми - почвоведении. Исследования являются научной основой для разработки новых эффективных агроприемов повышения плодородия почв.

В 1970 г. проводились и изучались исследования нитрифицирующей способности серых лесных, дерново-карбонатных и дерново-подзолистых почв. После компостирования образцов пахотных почв в их естественном состоянии больше всего накопилось нитратов в двух верхних горизонтах серой почвы (А0 - 329 мг/кг; А1 - 82 мг/кг) [Ковриго В. П., 2004]. Дерново-карбонатная почва по уровню нитрификации в этих горизонтах мало чем отличалась от дерново-подзолистой. В иллювиальных горизонтах нитраты накапливались только в дерново-карбонатной почве [Ковриго В. П., 2004].

После компостирования образцов лесных почв в их естественном состоянии заметное количество нитратов обнаружено в лесных подстилках и гумусовых горизонтах серой и дерново-карбонатных почв. В дерново-среднеподзолистой почве образование нитратов (слабое) отмечено только в лесной подстилке [Ковриго В. П., 2004].

Способность к нитрификации сульфата аммония появилась, у пахотных горизонтов дерново-среднеподзолистой (Ап - 20 мг/кг) и дерново-карбонатной (Ап - 20 мг/кг) почв, то же самое наблюдается и привнесении его с мелом (Ап - 40 мг/кг) [Ковриго В. П., 2004]. Добавление мела усилило накопление нитратов также в подпахотных горизонтах всех изучаемых почв. В лесных почвах тоже заметно некоторое оживление нитрификации верхних горизонтов при добавлении сульфата аммония с мелом (А0 - 25 мг/кг; Ап - 25 мг/кг); исключением явилась лесная дерново-среднеподзолистая почва, в которой нитрифицирующая способность почти не изменилась [Ковриго В. П., 2004].

Таким образом, в большинстве случаев (кроме серой почвы) для значительного усиления нитрификации (в том числе при внесении сульфата аммония) и, следовательно, улучшения снабжения растений нитратным азотом очевидна необходимость в обязательном проведении известкования пахотных горизонтов почв [Ковриго В. П., 2004]. Способность почв в нитрификации азотистых соединений органического вещества (при добавлении гороховой муки) оказалась слабой [Ковриго В. П., 2004].

Помимо Ковриго В.П., исследованиями нитрификационной способности почв занимался профессор кафедры агрохимии и почвоведения, кандидат сельскохозяйственных наук Макаров В.И.

В исследованиях, проведенных в АО «Учхоз Июльское ИжГСХА» выявлена сильная не выравненность плодородия почв. Биологическая урожайность ячменя варьировала в пределах 24 ключевых площадок от 2,55 до 6,48 т/га. Наблюдалась существенная изменчивость, как нитрификационной способности почв, так и других агрохимических показателей. На исследованном пахотном угодье диапазон нитрификационной способности почв составил от 8,2 до 26,8 мгN-NO3/кг. Самые низкие значения показателя установлены на средне эродированных дерново-подзолистых почвах, расположенных на юго-западном склоне. На слабо эродированном северо-восточном склоне усредненная по 12-ти ключевым площадкам нитрификационная способность почв составила 20,8±2,2 мгN-NO3/кг. Установлена достоверная корреляционная связь нитрификационной способности почв с содержанием гумуса (r = 0,56), обменного калия (r =0,46), урожайностью ячменя (r = 0,33), рН солевой вытяжки (r = 0,30) [Макаров В.И., 2017].

Близкие результаты были получены и в исследованиях, проведенных в ООО «Экоферма «Дубровский» Киясовского района в рамках очередного агрохимического обследования почв предприятия. Установлено, что между рН солевой вытяжки и нитрификационной способностью наблюдается средней тесноты корреляционная связь (r = 0,59 при выборке 45). На дерново-подзолистых почвах при рНKCl 5,6-6,0 ед. усредненная нитрификационная способность составила 14,4 мг/кг, а 5,1-5,5 ед. рН - снизилась до 11,4 мг/кг. Как и в предыдущих исследованиях выявлена тесная корреляционная связь нитрификационной способности почв с содержанием гумуса в них (r = 0,87) [Макаров В.И., 2017].

В 2016 г. исследования были проведены в фермерском хозяйстве Лебедева (Шарканский район). Нитрификационная способность почв предприятия в пределах 10 ключевых площадок варьировала от 6,2 до 16,2 мгN-NO3/кг. Пахотные угодья по основным агрохимическим свойствам выравнены по уровню плодородия - данные по химическим и физико-химическим показателям входят в две соседние оценочные группы. По этой причине не выявлено достоверной корреляционной связи нитрификационной способности почв с ними. В то же время выявлена сильная связь исследуемого показателя с содержанием обменного аммония в почве. Коэффициент корреляции равен 0,88 при диапазоне показателя от 20,5 до 63,8 мгN-NН4/кг [Макаров В.И., 2017].

1.3 Методы определения нитрификационной способности почв

Известные методы определения нитрификационной способности основаны на определении нитратов, накапливающихся в почве в результате разложения азотсодержащих органических соединений, как с добавлением дополнительных источников азота, так и без них [Дурынина Е.П., 1998].

Чаще всего используют для исследований метод Кравкова, основанный на определении нитратов, при компостировании почвы в лабораторных условиях с соблюдением аэрации, температуры и влажности. Навеску сухой почвы (100 г) увлажняют водой из расчета 60% капиллярной влагоемкости и выдерживают в течение 12 дней в термостате при 26-28°С, затем определяют нитратный азот [Методические указания…, 1984]. Недостатком данного метода является необходимость дренажной системы, без которой возникают анаэробные условия в испытуемом образце, что устраняется в предлагаемом способе [Пат. 2537240 C1].

Тот же принцип компостирования в лабораторных условиях положен в основу метода Александровой и Найденовой, отличающегося от предыдущего метода двухнедельным компостированием и изменением массы рекомендуемой навески почвы (50 г) [Александрова Л.Н., 1986]. Изъяном метода является сложность поддержания заданной влажности исследуемых образцов в течении компостирования [Пат. 2259561 С1].

Метод Кравкова в модификации Болотиной и Абрамовой отличается в навеске почвы (уменьшается до 20 г) и компостирование проводится в срок от 7-ми дней и далее, то есть может увеличиваться на неопределенное время [Пат. 2259561 С1]. Недостаток кислорода - ухудшение условий для нитрификации, что является не достатком метода. Не соблюдение режима аэрации при компостировании проб из-за ограниченного объема воздуха в закрытой колбе [Пат. 2259561 С1].

В практикуме по агроэкологии метод Титовой В.И. и Дабаховой Е.В. описывается принцип немного иначе. Для определения нитрифицирующей способности, почву в колбах увлажняют дистиллированной водой из расчета 60%-ной капиллярной влагоемкости, после чего колбы взвешивают, прикрывают листом фильтровальной бумаги и выдерживают 14 дней в термостате при температуре 26-28оС. При уменьшении веса в результате испарения воды в почву добавляют по каплям воду до восстановления первоначального веса [Титова В.И., 2005]. Основным недостатком данного метода является не практичность выполнения анализа, при постоянном увлажнении почвы, добавляя воду по каплям и использование фильтровальной бумаги в качестве изоляционной пробки.

Метод Кравкова в модификации Ваксмана основан на продолжительном компостировании образца почвы в оптимальных для развития нитрифицирующих бактерий условиях: увлажнение проб до 50-70% от капиллярной или полной влагоемкости; температура 25-28°С; аэробные условиях среды. Изменения режимов компостирования существенно влияют на результат анализа [Соколов А.В., 1960]. Учитывая то, что рекомендуемая продолжительность компостирования составляет по разным модификациям от 7 до 30 сут., появилась проблема строгого соблюдения оптимальных условий для развития нитрифицирующих бактерий [Соколов А.В., 1960]. Недостатком данного способа является значимое испарение влаги из почвенных образцов в процессе компостирования, в результате чего может снизиться влажность почвы ниже допустимого уровня. Периодическое добавление воды в почву приводит к неравномерности увлажнения и возникновению очагов с анаэробными условиями [Соколов А.В., 1960].

Расчет нитрификационной способности почв. Компостирование навески почвы в термостате в течении одной недели при оптимальных условиях увлажнения и температуры, с последующим определением количества образовавшихся нитратов ионометрическим методом [Страдина О.А., 2017].

Рассчитывается нитрификационная способность почв по формуле (Х) в мгN-NO3 / кг:

Х= Х1 -Х2,

где Х1 - содержание азота в почве после компостирования, мг/кг; Х2 - содержание нитратного азота в почве после компостирования, мг/кг [Страдина О.А., 2017].

Методы определения нитратов в почве.

Метод определения нитратов по методу ЦИНАО (ГОСТ 26488-85). Метод основан на восстановлении нитратов до нитритов гидразином в присутствии катализатора меди с последующим фотоколориметрическим определением в виде окрашенного диазосоединения [Кидин В.В., 2008]. Недостаток метода заключается в большем временем для определения нитратов в почве, по сравнению с методом определения с ионно-селективным электродом.

Определение нитратов ионометрическим методом (ГОСТ 26951-86). Принцип метода основан на измерении активности нитрат-иона ионно-селективным электродом в солевой суспензии 1%-ного раствора алюмокалиевых квасцов при соотношении почва : раствор = 1:2,5. Определение нитратного азота возможно так же и в суспензии 0,05%-ного раствора K2SO4 при таком же соотношении почвы к раствору. Ионно-селективный электрод непригоден для определения нитратов в засоленных почвах, тем самым является недостатком данного метода [Кидин В.В., 2008].

Нитрификационная способность зависит от множества факторов, которые способны повлиять на протекание процесса в почве. Нитрификация характеризуется разной величиной для каждого типа почв. Большую роль играет применение удобрений и возделывание культур в севообороте, способствующие лучшему прохождению нитрификационной способности в почве. Активность нитрификации имеет свойство уменьшаться вниз по профилю, по сравнению пахотными горизонтами. Высокая нитрификационная активность наблюдается в черноземах, а низкая соответственно в дерново-подзолистых почвах.

2. Экспериментальная часть

2.1 Место и условия проведения исследований

Исследования были проведены в 2017 г. на территории землепользования АО «Учхоз «Июльское» ИжГСХА» Воткинского района и в 2018 г. на территории в ООО «Экоферма «Дубровский» Киясовского района Удмуртской Республики.

Опыт заложен на сельскохозяйственных угодьях АО «Учхоз «Июльское» ИжГСХА» Воткинского района Удмуртской Республики. Землепользование сельскохозяйственного предприятия согласно природно-сельскохозяйственному районированию России, является частью территории южно-таежной подзоны таежно-лесной зоны Вятско-Камской провинции Нижневятского округа и расположено в третьем агроклиматическом районе Удмуртии.