Агроэкологическая оценка потерь азота в условиях эрозионного агроландшафта (по результатам длительных исследований с 15N

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

ВНИИ агрохимии имени Д.Н. Прянишникова

агроландшафт азот удобрение

Агроэкологическая оценка потерь азота в условиях эрозионного агроландшафта (по результатам длительных исследований с 15N) - работа выполнена при частичной поддержке грантов Ведущей научной школы НШ-4266.2014.47, Рамочной Программы ЕС № 603542 и Правительства РФ № 11.G34.31.0079.

Соколов О.А.

Аннотация

Глобальные изменения климата и их последействие на функционирование агроэкосистем в разных почвенно-геоморфологических и биоклиматических условиях актуализируют задачи комплексной агроэкологической оценки современных и прогнозируемых потерь азота в условиях представительных эрозионных агроландшафтов. Ущерб от эрозии возрастает по мере интенсификации применяемых агротехнологий и в значительной мере определяется прямыми экономическими и косвенными экологическими последствиями от непроизводительных потерь азота в результате применения агроэкологически необоснованных доз и технологий внесения азотных удобрений в условиях конкретного агроландшафта.

В работе приведены результаты проведенных с применением метода изотопной индикации (15N) длительных агроэкологических исследований по оценке размеров и основных факторов пространственной дифференциации газообразных потерь азота удобрений и азота почвы при выращивании сельскохозяйственных культур на различных элементах представительного для Центрального региона России эрозионного агроландшафта со старопахотными дерново-подзолистыми почвами. Исследования проводились в длительном микрополевом опыте (с размером делянок 0.5 м Ч 1.0 м), проводимом с 2002 года на вогнуто-выпуклом склоне юго-восточной экспозиции с уклоном 2-3є в верхней части, 4-5є - в средней и 5-7є - в нижней.

Опыт заложен с ежегодным применением меченых 15N азотных удобрений при чередовании культур: озимая рожь - овёс - ячмень - бобово-злаковые травы (клевер, тимофеевка) 1-го года пользования - бобово-злаковые травы 2-го пользования. Азотные удобрения (в форме сульфата аммония, с 20ат% 15N) вносили под зерновые культуры в дозе N50 и под травы в дозе N30 весной вразброс и лентой на глубину 10 см. Почва - дерново-подзолистая среднесуглинистая на карбонатном мореном суглинке: слабосмытая - в приводораздельной части склона крутизной 2-3є и среднесмытая - в средней части склона крутизной 4-5є и нижней части склона крутизной 5-7є.

Проведенные исследования показали отчетливо выраженную зависимость интенсивности основных потоков азота в исследованных склоновых эрозионных агроландшафтах со старопахотными слабо- и среднесмытыми дерново-подзолистыми почвами от элемента мезорельефа, вида выращиваемой культуры и способа внесения азотных удобрений, что необходимо учитывать при планировании эффективности их применения и оценке агроэкологических последствий. Интенсивность потоков азота удобрений, азота почвы и симбиотического азота, направленных на использование растениями и иммобилизацию в почве, существенно снижается от водораздела к нижней части вогнуто-выпуклого склона, лучше обеспеченного подвижными формами фосфора и калия, что снижает эффективность их использования растениями.

По результатам проведенных исследований убедительно показано, что локализация применения азотных удобрений на слабо- и среднесмытых дерново-подзолистых почвах эрозионного агроландшафта обеспечивает значительно лучшее (в 1,2-1,3 раза) использование азота удобрения растениями - по сравнению с разбросным применением тех же доз удобрения. Это способствует существенному уменьшению эмиссии соединений азота в атмосферу и увеличению устойчивой биологической продуктивности полевых агроэкосистем. Иммобилизация азота удобрений, азота почвы и симбиотического азота существенно повышается при выращивании многолетних бобово-злаковых трав - в 1,2-1,5 раза, по сравнению с зерновыми культурами на разных элементах склона. Интенсивность потоков газообразных соединений азота значительно возрастает от верхней к нижней части склона, но они снижаются в 1,5-2,5 раза при выращивании многолетних бобово-злаковых трав. Стабилизация азотного баланса старопахотных дерново-подзолистых почв эрозионных агроландшафтов сопровождается нормализацией их газорегулирующей экологической функции в условиях Центрального региона России и создает хорошие предпосылки для предупреждения характерных для XXI века глобальных изменений климата и биоты.

Ключевые слова: АГРОЭКОЛОГИЯ, АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОЧВ, БАЛАНС АЗОТА, ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫЕ ПОЧВЫ, ИММОБИЛИЗАЦИЯ АЗОТА, МОБИЛИЗАЦИЯ АЗОТА, ПОТЕРИ АЗОТА, ПОЧВЕННЫЕ ПОТОКИ АЗОТА, ЭФФЕКТИВНОСТЬ АЗОТНЫХ УДОБРЕНИЙ, ЭРОЗИОННЫЙ АГРОЛАНДШАФТ

Введение

Разноплановое обострение агроэкологических проблем обусловливает необходимость серьезного анализа и внесения коррективов в приоритетные задачи современного земледелия и агроэкологии [1, 2]. Анализ разновременных материалов по площади эродированных сельскохозяйственных земель России и соседних государств СНГ отражает обострившуюся с начала пятидесятых годов XX столетия активизацию процессов плоскостной эрозии [3-9].

В Росси эродированные почвы занимают пятую часть пашни - 26,7 млн. га. Общий объём твёрдого стока составляет 567 млн.т. в год (около 2% общих мировых потерь) [10]. Ежегодные эрозионные потери азота (за счёт твёрдого и жидкого стока) составляют 1,39-1,46 млн. т., из которых не менее 0,2 млн. т. поступают в водоёмы, вызывая их эвтрофикацию. Глобальные изменения климата и их последействие на функционирование региональных и локальных экосистем различного назначения и разных почвенно-геоморфологических и биоклиматических условий актуализируют задачи комплексной агроэкологической оценки современных и прогнозируемых потерь азота в условиях зонально и функционально представительных эрозионных агроландшафтов [11, 12].

Ущерб от эрозии возрастает по мере интенсификации применяемых агротехнологий и, в значительной мере, определяется прямыми экономическими и косвенными экологическими последствиями от непроизводительных потерь азота в результате применения агроэкологически необоснованных доз и технологий внесения азотных удобрений в условиях конкретного агроландшафта. Что касается данных по газообразным потерям азота удобрений при выращивании сельскохозяйственных культур на эродированных почвах, то они немногочисленны, достаточно противоречивы и могут составлять от 22 до 85 % от применяемой дозы удобрений [2, 9, 13, 14]. Большинство данных были получены в краткосрочных исследованиях, требующих четкой временной и пространственной локализации.

Цель нашей работы - с помощью метода изотопной индикации (15N) в длительных агроэкологических исследованиях оценить размеры и основные факторы пространственной дифференциации газообразных потерь азота удобрений и азота почвы при выращивании сельскохозяйственных культур на различных элементах представительного для Центрального региона России эрозионного агроландшафта со старопахотными дерново-подзолистыми почвами.

Объекты и методы

Наши исследования проводились в длительном микрополевом опыте (с размером делянок 0.5 м Ч 1.0 м), проводимом с 2002 года в условиях представительного для Смоленской области эрозионного агроландшафта, на вогнуто-выпуклом склоне юго-восточной экспозиции с уклоном 2-3є в верхней части, 4-5є - в средней и 5-7є - в нижней. Опыт заложен с ежегодным применением меченых 15N азотных удобрений при чередовании культур: озимая рожь - овёс - ячмень - бобово-злаковые травы (клевер, тимофеевка) 1-го года пользования - бобово-злаковые травы 2-го пользования. Повторность двукратная. Защитные полосы между микроделянками - 0.5 м. Обработка почвы: отвальная вспашка + рыхление подпахотного слоя на глубину 10-15 см. Перед закладкой опыта было проведено известкование из расчёта полной нормы гидролитической кислотности. Азотные удобрения (в форме сульфата аммония, с 20ат% 15N) вносили под зерновые культуры в дозе N50 и под травы в дозе N30 весной вразброс и лентой на глубину 10 см.

Почва - дерново-подзолистая среднесуглинистая на карбонатном мореном суглинке: слабосмытая - в приводораздельной части склона крутизной 2-3є и среднесмытая - в средней части склона крутизной 4-5є и нижней части склона крутизной 5-7є.

Содержание физической глины - 32-34 %. Реакция среды близкая к нейтральной с постепенным возрастанием вниз по исследуемому склону, со значениями pHKCl 5.7, 5.9 и 6.1. Катионы малоемкого почвенного поглощающего комплекса представлены, преимущественно, обменными кальцием и магнием, с минимальным содержанием их в верхней части склона (соответственно, 5.5 и 2.0 мг-экв./100 г почвы) и незначительным увеличением ниже по склону (6.0 мг-экв. Са2+ и 2.4-2.2 мг-экв. Mg2+ на 100 г почвы). ППК слабоненасыщенный, со слабо повышенным значением гидролитической кислотности в верхней части склона (1.18 мг-экв./100 г почвы) и ее значительным снижением вниз по склону (0.6 и 0.8 мг-экв./100 г почвы). Вниз по склону в почвах качественно снижается содержание гумуса (с 2.1 до 0.9 и 0.8 %) и общего азота (с 0.19 до 0.13 и 0.09 %), существенно возрастает извлекаемое по Кирсанову содержание подвижного калия (138 > 150 > 167 мг/кг почвы) и особенно фосфора (137 > 158 > 187 мг/кг почвы). Общий азот в почвенных и растительных образцах определяли по методу Кьельдаля-Иодльбауэра, изотопный состав азота - с помощью эмиссионных анализаторов МИ-1102 и «Дельта».

Результаты и обсуждение

Проведенный расчет баланса азота при выращивании трех видов зерновых показал принципиально воспроизводимые в них закономерности значительного возрастания потерь применяемого в форме аммония азота вниз по склону в результате существенного снижения их поступления в растения и закрепления в почве (табл. 1). Максимальные различия по формам рельефа характерны для посевов озимой ржи, минимальные - для овса, при промежуточных значениях в случае ячменя. Важно подчеркнуть резкое снижение непроизводительных потерь при локальном внесении удобрений.

Таблица 1. Баланс азота удобрений при выращивании зерновых культур на различных элементах рельефа в зависимости от способа внесения азотных удобрений, % от применяемой дозы

*Элементы склона: 1 - водораздел, 2 - средняя часть склона, 3 - нижняя часть склона

Баланс азота удобрений, рассчитанный по результатам исследований с изотопом 15N, позволил определить существенные различия в интенсивности основных процессов внутрипочвенного цикла азота (минерализация - иммобилизация/реиммобилизация) при применении разных технологий внесения азотных удобрений и на разных элементах склона (табл. 2). Локальное применение аммиачных удобрений способствует качественному росту мобилизации и выноса азота почвы с усилением степени их пространственной дифференциации по склону и полуторакратным возрастанием содержания остаточного минерального азота. При этом несколько снижается пространственная изменчивость по склону содержания иммобилизованного азота почвы и почти в 2 раза - газообразные потери азота почвы.

Таблица 2. Агроэкологическая оценка потоков азота почвы и удобрений при выращивании ячменя в зависимости от способа внесения азотных удобрений и элемента рельефа, г/м2

Наиболее интенсивно процессы минерализации азота при выращивании ячменя выражены в средней части склона, наименее интенсивно - в нижней, при локальном внесении азотных удобрений. Локальное применение удобрений способствует двукратному возрастанию использования растениями азота удобрений и его значительной иммобилизации, при почти полуторакратном снижении газообразных потерь.

О степени минерализации в почве свидетельствует также относительная нетто-минерализация (Н-М, в % от общей минерализации). При выращивании зерновых культур доля Н-М возрастала от приводораздельной части к основанию склона и достигала 82-84 % (против 66-74 % в верхней части склона). Локализация азотных удобрений снижала долю нетто-минерализации азота на всех элементах склона. Реиммобилизация азота протекала с наименьшей скоростью в нижней части склона при выращивании ячменя с разбросным способом внесения азотных удобрений (табл. 2). Локализация азотных удобрений усиливала процессы реиммобилизации на всех элементах склона, но максимально - в его нижней части.

Складывающиеся условия минерализации почвенного азота оказывают существенное влияние на образование газообразных азотистых соединений (N2, NOX). Наибольшее количество почвенного азота при выращивании ячменя терялось в средней части склона. Локализация азотных удобрений почти в 1,5 раза снижала газообразные потери азота при выращивании ячменя на всех элементах склона.

При выращивании ячменя и локальном внесении азотных удобрений существенно снижался поток метаболического фонда азота почвы по сравнению с их разбросным применением. При этом значительно возрастал поток поступления азота удобрения и, что особенно важно, азота почвы в растения. Интенсивность поступления азота почвы в растения сильнее возрастала на приводораздельной части склона. В нижней части склона резко возрастала доля азота почвы в потоке газообразных потерь (71% от метаболического фонда) по сравнению с приводораздельной частью склона (54%) при разбросном внесении азотных удобрений. При их локализации снижалась доля участия азота почвы в газообразных потерях: до 31% в верхней части и до 51% в нижней части склона. Одновременно при локальном внесении удобрений возрастал поток иммобилизации азота почвы в нижней части склона, что способствовало повышению потенциального плодородия среднесмытой дерново-подзолистой почвы.

Многолетние бобово-злаковые травы в условиях севооборота лучше использовали азот удобрений по сравнению с зерновыми культурами (озимая рожь, овёс, ячмень) на всех элементах склона независимо от способа применения азотных удобрений (табл. 3). При внесении азотных удобрений травы эффективнее использовали азот удобрений по сравнению с зерновыми культурами: в 1,5-1,6 раза при разбросном способе и в 1,5-1,9 раза при локальном способе.

Таблица 3. Баланс азота удобрений при выращивании сельскохозяйственных культур на различных элементах склона в зависимости от способа внесения азотных удобрений, % от применяемой дозы

*Элементы склона: 1 - водораздел, 2 - средняя часть склона, 3 - нижняя часть склона

При выращивании трав 2-го года на склоне растения использовали одинаковое количество азота удобрения, большее количество закреплялось в почве и меньше его терялось в виде газообразных соединений по сравнению с травами 1-го года пользования. Потребление азота удобрений, азота почвы и симбиотического азота травами 2-го года и закрепление его в почве снижалось, а газообразные потери азота возрастали в направлении от приводораздельной к нижней части склона, Локальное внесение азотных удобрений (в дозе 30 кг/га) обеспечивало лучшее потребление многолетними бобово-злаковыми травами 2-го года азота удобрения, азота почвы и симбиотического азота, в результате продуктивность трав существенно повысилась: на 39-51 % по сравнению с разбросным способом их применения.

При выращивании многолетних трав наиболее интенсивно процессы минерализации азотистых соединений почвы и атмосферного азота выражены в верхней части склона, наименее интенсивно - в нижней. Доля нетто-минерализации от общего минерализованного азота возрастала от верхней к нижней части склона, что не отличает многолетние травы от зерновых культур. Локализация азотных удобрений существенно снизила долю минерализованного азота в средней и нижней части склона (табл. 4).

Таблица 4. Потоки азота почвы при выращивании многолетних трав 1-го года на различных элементах эрозионного склона в зависимости от способа внесения азотных удобрений, г/м2

Реиммобилизация азота наиболее интенсивно протекала в приводораздельной части склона при разбросном способе внесения азотных удобрений с наименьшими значениями в нижней части склона. Локализация азотных удобрений существенно снизила реиммобилизацию азота на всех элементах склона. В основе изменений в системе «почва-воздух-растение» лежит азотный обмен как внутри компонентов, так и между ними, интегрированный потоками (азота удобрений, азота почвы и азота атмосферы), формирующими внутрипочвенный (гетеротрофный) и автотрофный циклы (табл. 4, 5).

При локальном внесении азотных удобрений повышалось по сравнению с разбросным содержание сырого белка (на 4-27 %) и снижалось количество нитратов (на 12-15 %) в биомассе трав 2-го года. Локальное внесение азотных удобрений увеличивало иммобилизацию и снижало газообразные потери симбиотического азота по сравнению с разбросным способом их применения на всех элементах склона.

Потребление азота атмосферы травами и его иммобилизация в почве снижались от верхней к нижней части склона, тогда как газообразные потери, наоборот, возрастали. При локальном внесении азотных удобрений потребление азота атмосферы растениями повышалось, а его иммобилизация и потери существенно снижались по сравнению с разбросным способом их внесения на всех элементах склона. Основную долю в газообразных потерях занимал азот атмосферы: 64% при разбросном применении азотных удобрений и 68% - при локальном. Иммобилизация азота атмосферы в верхней части склона достигала 8-9 г/м2, тогда как в нижней части склона - 5 г/м2.

Таблица 5. Потоки азота атмосферы при выращивании многолетних трав 1-го года на различных элементах эрозионного склона в зависимости от способа внесения азотных удобрений, г/м2

При выращивании многолетних бобово-злаковых трав 2-го года наиболее интенсивно процессы минерализации почвенного азота и азота атмосферы выражены в верхней части склона, наименее интенсивно - в нижней части склона (табл. 6, 7). Однако доля нетто-минерализованного азота от общего минерализованного азота возрастала от верхней к нижней части склона. Азотные удобрения, внесённые локально, существенно снижали долю нетто-минерализации азота в средней и нижней частях склона.

Наиболее интенсивно реиммобилизация азота протекала в почве приводораздельной части склона при разбросном способе применения азотных удобрений. Реиммобилизация азота существенно снижалась в нижней части склона. Азотные удобрения, внесённые локально, существенно снизили реиммобилизацию азота на всем склоне.

Таблица 6. Потоки азота почвы при выращивании многолетних бобово-злаковых трав 2-го года на различных элементах эрозионного склона в зависимости от способа внесения азотных удобрений, г/м2

Таблица 7. Потоки симбиотического азота при выращивании многолетних бобово-злаковых трав 2-го года пользования на различных элементах эрозионного склона в зависимости от способа внесения азотных удобрений, г/м2

Потребление азота атмосферы многолетними бобово-злаковыми травами 2-го года и его иммобилизация в дерново-подзолистой почве снижались от верхней к нижней части склона, тогда как его газообразные потери, наоборот, возрастали. При локальном внесении азотных удобрений потребление азота атмосферы травами 2-го года повышалось, а его иммобилизация и потери существенно снижались по сравнению с разбросным способом их внесения на всех элементах склона. При выращивании трав 2-го года возрастала иммобилизация атмосферного азота по сравнению с его иммобилизацией при выращивании трав 1-го года (в 1,1-1,4 раза). Азот атмосферы занимал основную долю в газообразных потерях азота: 62-64 % при разбросном и 66-69 % - при локальном применении азотных удобрений.

Таким образом, специфические условия склонного эрозионного агроландшафта со смытыми дерново-подзолистыми почвами оказывают существенное влияние не только на трансформацию и поведение азота в почве, но и динамику и размеры его использования культурами. Степень использования азота удобрения в условиях склона зависит от вида культуры, элемента склонового мезорельефа и технологии внесения азотных удобрений.

Выводы

Интенсивность потоков азота в исследованных склоновых эрозионно опасных ландшафтах со старопахотными слабо- и среднесмытыми дерново-подзолистыми почвами зависит от элемента мезорельефа, вида выращиваемой культуры и способа внесения азотных удобрений, что необходимо учитывать при планировании эффективности их применения и оценке агроэкологических последствий. Интенсивность потоков азота удобрений, азота почвы и симбиотического азота, направленных на использование растениями и иммобилизацию в почве, существенно снижается от водораздела к нижней части вогнуто-выпуклого склона, лучше обеспеченного подвижными формами фосфора и калия, что снижает эффективность их использования растениями.

По результатам проведенных исследований убедительно показано, что локализация применения азотных удобрений на слабо- и среднесмытых дерново-подзолистых почвах эрозионно опасного агроландшафта обеспечивает значительно лучшее (в 1,2-1,3 раза) использование азота удобрения растениями - по сравнению с разбросным применением тех же доз удобрения. Это способствует существенному уменьшению эмиссии соединений азота в атмосферу и увеличению устойчивой биологической продуктивности таких полевых агроэкосистем.

Иммобилизация азота удобрений, азота почвы и симбиотического азота существенно повышается при выращивании многолетних бобово-злаковых трав 1-го года по сравнению с зерновыми культурами на всех элементах склона. Иммобилизация азота удобрений, азота почвы и симбиотического азота повышается в 1,1-1,3 раза при выращивании трав 2-го года по сравнению с травами 1-го года.

Интенсивность потоков газообразных соединений азота значительно возрастает от верхней к нижней части склона. Газообразные потери азота удобрений и азота почвы снижаются в 1,5-2 раза при выращивании многолетних бобово-злаковых трав 1-го года пользования - по сравнению с зерновыми культурами. При выращивании трав 2-го года газообразные потери азота удобрений снижаются в 1,3-1,4 раза, азота почвы - в 1,2-1,4 раза и симбиотического азота - в 1,2-1,4 раза по сравнению с травами 1-го года.

Стабилизация азотного баланса исследуемых старопахотных дерново-подзолистых почв эрозионных агроландшафтов сопровождается нормализацией их газорегулирующей экологической функции в условиях Центрального региона России и создает хорошие предпосылки для стабилизации региональных потоков парниковых газов и предупреждения характерных для XXI века ускоренных глобальных изменений климата и биоты.

Список использованных источников

Агроэкология / Ред. Черников В.А., Чекерес А.И. - М.: Колос. - 2000. - 535 с.

Агроэкология: Методология, экономика, технология / Ред. Черников В.А., Чекерес А.И. - М.: КолосС. - 2004. - 400 с.

Агроэкологическое состояние черноземов ЦЧО / Ред. Щербакова А.П., Васенёв И.И. - Курск. -1996. - 329 с.

Антропогенная эволюция черноземов / Ред. Щербакова А.П., Васенёв И.И. - Воронеж: ВГУ. - 2000. - 411 с.

Эрозия почв / Ред. Д.Д.Ноур. - Кишинев: Понтос. - 2001. - 428 с.

Эрозия почв / Ред. Каштанов А.Н. - М.: Почв. ин-т. - 2007. - 322 с.

Васенёв И.И. Анализ средневременной динамики черноземов антропогенно измененных лесостепных экосистем. - Курск: ЦНТИ. - 2003. - 120 с.

Васенев И.И. Почвенные сукцессии. - М.: ЛКИ. - 2008. - 400 с.

Агроэкологическая оценка земель и оптимизация землепользования / Черногоров А.Л., Чекмарев П.А., Васенев И.И., Гогмачадзе Г.Д. - М.: Издательство Моск. ун-та. - 2012. - 268 с.

Кирюхина З. П., Пацукевич З. В. Эрозионная деградация почвенного покрова России. Почвоведение. - 2004, № 6. - С. 752-758.

Vasenev I.I., Vasenev V.I., Valentini R. Agroecological issues of soil carbon pools and GHG fluxes analysis in frame of regional ecological monitoring system RusFluxNet // Агроэкология. - 2014, №1. - С. 8-12.

Vasenev I.I. Soil and land-use planning // Task Force: Soil Matters - Solutions under Foots / S. Nortcliff edit. - Catena Verlag: GeoEcology Essays. - 2015. - P. 100-104.

Явтушенко В. Е., Шмырева Н. Я., Цуриков Л. Н. Баланс, трансформация и миграция азота в эрозионном агроландшафте // Агрохимия. - 2000, № 12. - С. 5-14.

Шмырева Н. Я. Использование азота удобрений озимой рожью при различных способах внесения азотных удобрений в условиях эрозионного ландшафта // Агрохимия. - 2007, № 10. - С. 44-49.

Размещено на Allbest.ru