CC BY
9БИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПЛОДОРОДИЯ
5N)
(
Обсуждены результаты исследований по трансформации азота удобрений, почвы и симбиотического азота при выращивании многолетних бобово-злаковых трав 2-го г. п. на склоновых землях.
Ключевые слова'- стабильный изотоп азота 1SN сим-биотический азот, циклы азота, устойчивость агрофи-тоценоза.
В условиях эрозионного (склонового) ландшафта многолетние травы выполняют важные экологические функции: снижают твердый и жидкий сток, а с ним и потери элементов питания, сокращают газообразные потери азота удобрений и почвы, и симбиотического азота; повышают плодородие почвы и устойчивость агроэкосистемы в целом [14, 12, 3, 2, 1, 13, 7, 15, 8].
Объекты и методы исследований. В условиях длительного стационарного опыта Смоленского НИИСХ в начале третьей ротации севооборота (2006 г.) был заложен микрополевой опыт с сульфатом аммония, обогащенным тяжелым изотопом азота (20 ат. %).
Почва — дерново-подзолистая среднесуглинистая на карбонатном моренном суглинке слабо (приводораз-дельная часть склона 2-30) и среднесмытая (средняя часть склона 4-50, нижняя часть склона 5-70). Агрохимическая характеристика почвы по склону представлена следующими показателями: рНсол. — 5,7; 5,9; 6,1, Нг - 1,18; 0,6; 6,0 мг-экв/100 г и Мg2+ - 2,0; 2,4; 2,2 мг-экв/100 г почвы, гумус — 2,1; 0,9; 0,8%, общий азот — 0,19; 0,13; 0,09%, подвижный фосфор — 13,7; 15,8; 18,7 и обменный калий — 13,8; 15,0; 16,7 мг/100 г почвы.
Микрополевой опыт (размер делянки 0,5 х 1,0 м) размещен на склоне ЮВ экспозиции. Длина склона 300 м, повторность 4-кратная, с — 2-кратная. Азотные удобрения (№) вносили в дозе 30 кг/га двумя способами: вразброс и локально. Чередование культур в севообороте: озимая рожь-овес-ячмень (с подсевом мно-
голетних трав) — многолетние травы 1 г.п. — многолетние травы 2 г.п.
Общий азота в почвенных и растительных образцах определяли по методу Кьельдаля-Йодльбауэра [5], изотопный состав азота на масс-спектрометре Delta V Advantage. Расчеты потоков азота удобрений, почвы и симбиотического производили по соответствующим формулам [6, 8, 14]. Размеры азотфиксации многолетними травами определяли по [10].
ГТК за вегетационный период — 2,1, среднемного-летний — 1,5. За вегетационный период сумма осадков составила 231 мм при норме 181 мм.
Результаты и их обсуждение. Многолетние бобово-злаковые травы 2-го года пользования (г.п.) при локальном внесении азотных удобрений формировали наибольший урожай сена на приводораздельной части склона. Продуктивность трав снижалась от верхней к нижней части склона. Прибавка урожая сена от локализации азотных удобрений (по сравнению с разбросным способом их применения) составила в верхней части склона 54%, в средней — 39, и в нижней — 51% (табл. 1).
Использование азота удобрений травами снижалось от верхней к нижней части склона. Локальное внесение азотных удобрений обеспечивало лучшее (в 2,0-2,9 раза) использование азота удобрения по сравнению с разбросным способом их применением.
При выращивании трав 2-го г.п. иммобилизация азота удобрений снижалась от верхней к нижней части склона. В почве закреплялось в 1,2-1,3 раза азота больше, чем под травами 1-го г.п. результаты исследований по травам 1-го г.п. нами опубликованы ранее [7]. Локальное внесение азотных удобрений существенно не влияло на степень иммобилизации азота удобрений по сравнению с разбросным способом.
1. Баланс азота удобрений под бобово-злаковыми травами 2 г.п. на различных элементах склона в зависимости
от способа внесения удобрений, % от применяемой дозы
Способ внесения 15N30 Урожай, г/м2 Использовано растениями Закреплено в почве Газообразные потери
1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3
Вразброс 567 360 295 22 16 15 45 43 35 33 41 50
Локально 874 500 448 50 43 29 40 44 37 10 13 29
Примечание. НСР°,5, г/м2: част. средних - 126,8, рельеф - 73,2, способ - 73,2; Р. Элемент склона: 1 - верхняя часть, 2-3°: 2 - средняя часть, 3-5°; 3 - нижняя часть, 5-7°
Газообразные потери азота удобрений при выращивании многолетних бобово-злаковых трав 2-го г.п. снижались в 1,2-1,3 раза по сравнению с травами 1-го г.п. пользования. Так же как и у трав 1-го г.п. газообразные потери азота удобрения возрастали от верхней к нижней части склона. При локальном внесении азотных удобрений в 1,7-3,3 раза снижались газообразные потери азота. Наиболее эффективно (в 3,3 раза)
снижались потери азота на водоразделе, менее эффективно (в 1,7 раза) — в нижней части склона.
Изменения в системе почва-воздух-растение или в одном из ее компонентов тесно связаны со структурными и функциональными перестройками в почвенно-биологическом комплексе. В основе этих изменений лежит азотный обмен как внутри компонентов, так и между ними, интегрированный потоками (азота удоб-
рений, почвы и симбиотического), формирующими циклы азота. внутрипочвенный (гетеротрофный) и автотрофный
2. Потоки азота почвы и симбиотического азота под бобово-злаковыми травами 2-го г.п. в зависимости от элемента скло>
_на, г/м2_
Азот Верхняя часть склона Средняя часть склона Нижняя часть склона
1 2 1 2 1 2
Остаточный минеральный 0,23 0,38 0,20 0,35 0,21 0,18
0,40 0,51 0,30 0,40 0,19 0,27
Иммобилизованный 4,44 2,86 3,73 2,13 3,13 1,02
9,85 7,89 9,36 6,68 7,56 5,29
Газообразные потери 3,39 0,72 3,58 0,63 4,47 0,91
7,23 1,97 9,00 1,97 10,80 3,90
Минеральный 10,23 7,54 8,87 5,19 9,15 3,10
22,30 20,23 22,07 15,58 21,79 13,72
Использованный растениями 2,17 3,58 1,36 2,08 1,34 0,99
4,82 9,86 3,41 6,53 3,24 4,26
Примечание. 1-3 см. табл. 1; числитель - азот почвы, знаменатель - симбиотический азот
Потребление азота атмосферы многолетними бобо-во-злаковыми травами 2-го г.п. и его иммобилизация в дерново-подзолистой почве снижались от верхней к нижней части склона, тогда как его газообразные потери наоборот, возрастали. При локальном внесении №удобрений потребление азота атмосферы повышалось, а его иммобилизация и потери существенно снижались по сравнению с разбросным способом их внесения на всех элементах склона (табл. 2). Возрастала иммобилизация атмосферного азота по сравнению с его иммобилизацией при выращивании трав 1-го г.п. (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.
Азот почвы и азот атмосферы, минерализованный за период вегетации многолетних бобово-злаковых трав 2-го г.п. (М), можно представить как «вход» вещества в систему. «Выходом» из системы является нетто-минерализованный азот (Н-М) за этот же период, а «возвратом на выходе» служит реиммобилизованный азот (РИ), поступающий на поддержание системы. Считается, что устойчивость системы обеспечивается возвратом 50% веществ, при котором система приближается к состоянию экологического равновесия [5, 3, 10]. Интегральным показателем устойчивого функционирования агроэкосистемы является отношение Н-М : РИ, характеризующее соотношение между потоками азота, направленными в гетеро-и автотрофный циклы. Величина соотношения Н-М:РИ близкая или равная единице возможна при рециркуляции примерно 50%. Чем выше соотношение Н-М : РИ, тем система менее устойчива. В то же время, чем ниже значение соотношения РИ : М (рециркуляция азота), тем система менее устойчива. Самоорганизованная смена режимов функционирования агроэкосистемы происходит в зависимости от антропогенной нагрузки: технологии применения удобрений.
При выращивании многолетних бобово-злаковых трав 2-го г.п. величина рециркуляции азота (РИ : М) была выше в 1,2-1,3 раза по сравнению с травами 1-го г.п. на всех элементах склона [7], что обеспечивало большую устойчивость их агрофитоценоза (табл. 3). Рециркуляция азота при выращивании трав 2-го года снижалась от верхней к нижней части склона. Азотные удобрения, внесенные локально усиливали рецирку-
ляцию азота в 1,1 раза по сравнению с разбросным их применением в той же дозе.
Показатель Н-М : РИ под травами 2-го г.п. в 1,2-1,6 раза ниже чем под травами 1-го г.п., что свидетельствует о большей экологической устойчивости их агро-фитоценоза. Соотношение Н-М : РИ увеличивалось от приводораздельной части склона к тальвегу, т.е. происходило снмжение устойчивости системы. Азотные удобрения, внесенные локально, снижали этот показатель в 1,1-1,2 раза по сравнению с разбросным способом их применения, что повышало устойчивость системы.
3. Показатели интегрального функционирования агрофитоценоза при выращивании бобово-злаковых трав _2-го г.п. по вариантам опыта_
Часть склона Способ внесения Ы-удобрений РИ : М, % Н-М : РИ
Верхняя, 230 1 44 1,6
2 48 1,3
Средняя, 350 1 42 1,4
2 42 1,4
Нижняя, 5-70 1 34 1,9
2 37 1,7
Для определения степени устойчивости агроэкоси-стем разработаны критерии интегрированной оценки режимов их функционирования и уровней воздействия на них [6]. Выращиваемые многолетние бобово-злаковые травы 2-го г.п. на склоновых землях находятся в основном в неравновесном экологическом состоянии: в зоне стресса на всех элементах склона, кроме, кроме верхней части склона при локальном внесении азотных удобрений (зона гомеостаза при нормальном уровне воздействия). Так же как травы 1-го г.п. травы 2-го г.п. находились при допустимом уровне воздействия, но по интегральным показателям их аг-рофитоценоз был в более устойчивом экологическом состоянии.
Выводы. В 5-польном севообороте на дерново-подзолистой почве Центрального Нечерноземья бобово-злаковые травы 2-го г.п. формировали наибольший урожай надземной массы на приводораздельной части
склона при внесении N30 локальным способом. В нижней части склона снижалась продуктивность трав в 2 раза по сравнению с приводораздельной частью склона.
Иммобилизация азота удобрений травами 2-го г.п. повышалась в 1,1-1,3 раза, азота почвы — в 1,1-1,5 раза и азота атмосферы — в 1,1-1,3 раза по сравнению с многолетними травами 1-го г.п. По элементам склона иммобилизация азота снижалась от приводораздельной части склона к его тальвегу. Газообразные потери азота удобрений и симбиотического азота возрастали от верхней к нижней части склона. Азотные удобрения, внесенные локально, существенно (в 2,5 — 4 раза) снижали потери азота на всех элементах склона.
Многолетние бобово-злаковые травы 2-го г.п. на склонах находятся на более высоком уровне экологической устойчивости по сравнению с травами 1-го г.п. [7]. Соотношение минерализации и реиммобилизации (Н-М : РИ) азота под травами 2-го г.п. повышалось, а рециркуляция (РИ : М) снижалась от верхней к нижней части склона, что свидетельствует о меньшей устойчивости агрофитоценоза у основания склона. При локальном внесении азотных удобрений устойчивость агрофитоце-нозов повышалась на всех элементах склона.
Литература
1. Быстров А.В., Шмьрева Н.Я. Влияние азотных удобрений на продуктивность травосмеси в условиях эродионного ландшафта // Агрохимия.-2002.-№ 6.-С. 82-90.
2. Каштанов А.Н., Явтушенко В.Е. Агроэкология почв скло-нов.-М.: Колос, 1997, 240 с.
3. Милащенко Н.З., Соколов О.А., Брайсон Т., Черников В.А. Экологическая безопасность и устойчивое развитие. Т. 2. Устойчивое развитие агроландшафтов.-Пущино, ОНТИ, 2000, -282 с.
4. Минеев В.Г. Практикум по агрохимии. — М.: МГУ, 2001,- С. 358-361.
5. ОдумЮ. Экология. -Т. 2, М.: Мир, 1986, 376 с.
6. Помазкина Л.В., Котова Л.Г, Лубнина Е.В. Биогеохимический мониторинг и оценка режимов функционирования агро-экосистем на техногенно загрязняемых почвах. — Новосибирск: СИФ РАН Наука, 1999, -208 с.
7. Соколов О.А., Шмырева Н.Я, Цуриков Л.Н. Изменение параметров потоков симбиотического азота при выращивании многолетних трав на склонах // Плодородие, - 2010.- № 4. - С. 4-6.
8. Турчин Ф.В. Использование азотных удобрений урожаем и их превращение в почве. ЖВХО, 1965, 10, № 4, с. 400-401.
9. Трепачев Е.П. Агрохимические аспекты биологического азота в современном земледелии. -М. : Агроконсалт, 1999, - 532 с.
10. Черников В.А, Милащенко Н.З, Соколов О.А. Экологическая безопасность и устойчивое развитие. Т. 3. Устойчивость почв к антропогенному воздействию. -Пущино, ОНТИ, 2001. -201 с.
11. Явтушенко В.Е. Экологические аспекты применения удобрений на склоновых почвах //Тр. ВИУА.- М.- 1990.- С. 35-40.
12. Явтушенко В.Е, Макаров НБ. Потери органического вещества и элементов питания растений из почвы в результате водной эрозии // Агрохимия.-1996.- № 4.- С. 117-123.
13. Явтушенко В.Е. Цуриков Л.Н, Шмьрева Н.Я. Использование многолетней бобово-злаковой травосмеси азота удобрений в зависимости от срока их внесения, рельефа и способов обработки почвы // Агрохимия.- 2005.- № 1.- С. 1-8.
14. Fried M, Dean L. A concerning the measurement of available soil nutrients//Soil Sei..- 1952.- v. 73.- № 4.- Р. 263-271.
BALANCE OF NITROGEN FERTILIZERS IN THE CULTIVATION OF PERENNIAL LEGUME-GRASS ON SLOPES
N. YA. Shmyreva, O. A. Sokolov, L. N. Tsurikov, L. P. Prohin
Pryanishnikov All-Russian Scientific Research Institute of Agrocemistry Russian Academy of Agricultural Sciences,
Pryanishnikov 31a, Moscow, 127550 Russia, [email protected]
When growing perennial legume-grass 2-year on sloping lands (sod-podzolic soil) increased immobilization and reduced gaseous losses of nitrogen fertilizer, soil nitrogen and symbiotic nitrogen compared with perennial grasses 1-year on all elements of the slope.
Key words: stable isotope of nitrogen 15 N, symbiotic nitrogen, nitrogen cycle, sustainability agrophytocenoses.
