CC BY
40
УДК 631.423.6:631.461:631.84
ГАЗООБРАЗНЫЕ ПОТЕРИ АЗОТА И ДИНАМИКА ПОЧВЕННОГО ДЫХАНИЯ ИЗ РАЗНЫХ СЛОЕВ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ
В.В. Кидин, д.б.н., А.А. Прасолова
РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, e-mail: [email protected]
В статье представлены результаты лабораторного опыта по изучению размера и состава газообразных потерь почвенного азота и азота удобрений, а также интенсивности почвенного «дыхания» из разных слоев дерново-подзолистой почвы.
Ключевые слова: почвенный азот, азот удобрений, почвенное дыхание, слои почв, дерново-подзолистая почва, лабораторный опыт.
GASEOUS NITROGEN LOSSES AND SOIL BREATH DYNAMICS OF DIFFERENT LAYERS
FROM SOD-PODZOLIC SOILS
Dr. Sci. V.V. Kidin, A.A. Prasolova
Russian Timiryazev State Agrarian University, e-mail: [email protected]
Article shows the results of laboratory experiment to analyze the possibility to manage and regulate the size and composition of gaseous nitrogen losses (GNLs) and studying soil «breath» dynamics from soil andfertilizers. Keywords: nitrogen soil, nitrogen from fertilizer, soil breath, soil layers, sod-podzolic soil, laboratory experiment.
Проблема азота в земледелии России - одна из центральных не только в связи с первостепенной его ролью в питании растений, повышении урожайности и качества сельскохозяйственных культур, но и вследствие широкого спектра негативного воздействия продуктов трансформации азотных удобрений на окружающую среду [1, 2].
Азотные удобрения играют важную роль в повышении урожаев сельскохозяйственных культур на дерново-подзолистых почвах, которые бедны гумусом и азотом. Потери азота из почвы в газообразной форме являются основной причиной снижения коэффициентов использования и эффективности азотных удобрений [3, 4].
Сельскохозяйственные почвы - главный источник закиси азота и оксида азота (II). Закись азота это парниковый газ, являющийся также исходным соединением, участвующим в разрушении стратосферного озонового слоя [3]. До недавнего времени присутствие К20 в атмосфере не вызывало особой озабоченности у экологов вследствие низкой ее токсичности для животных и человека. Отношение к закиси существенно изменилось, когда была установлена ее негативная роль в разрушении озонового слоя стратосферы. Из-за отсутствия осадков в верхних слоях атмосферы удаление окислов азота происходит крайне медленно, что способствует накоплению их в этой зоне и изменению спектрального состава солнечной радиации [5].
Цель работы - изыскание путей рационального использования азотных удобрений, снижение газообразных потерь азота, изучение состава этих потерь и уменьшение содержания окислов азота в их
составе. Для этого в 2011-2013 гг. была проведена серия лабораторных опытов по изучению газообразных потерь азота и почвенного дыхания из разных слоев почвы на кафедре агрономической, биологической химии и радиологии РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева.
Учитывая отсутствие разработанных стандартных методик по определению газообразных потерь азота из почвы, для данных экспериментов были построены методики анализа на основе работ Р.К. Педишюса, J.M. Bremner, A.H. Blackmer [6, 7].
Объект исследования - дерново-подзолистая почва из Солнечногорского района Московской области из трех генетических горизонтов (Апах, А2В, В). Пахотный слой отбирали на глубину 0-20 см, подпахотные - 20-40 см и 40-60 см соответственно. Перед взятием почвенных образцов дернину снимали с 2 м2. Почва была отобрана с ненарушенной структурой при помощи бура-пробоотборника с разъемным титановым цилиндром, который практически не вызывает деформацию почвы при отборе. Диаметр и высота цилиндра пробоотборника - 3,5 см и 20 см соответственно, объем - 192 см3.
Почва участка от сильнокислой до слабокислой, в зависимости от слоя (pHKa (0-20 см - 5,1; 20-40 см - 4,6; 40-60 см - 4,0)), содержание подвижных форм фосфора и калия уменьшаются с глубиной почвенного профиля (табл. 1). В нижележащих слоях содержание доступных форм фосфора и калия находятся на уровне II и III класса, а в верхнем - V класса. Минерального азота содержится в пределах 20 мг/кг в верхнем слое и 10 мг/кг в нижележащих, соответственно; количество гумуса для данной почвы
СВОЙСТВА ПОЧВ И ИХ ПЛОДОРОДИЕ
1. Агрохимическая характеристика дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы
Горизонт отбора, см Phkci Гумус, % (по Тюрину) V,% Нг S P2OS K2O
мг-экв/100 г мг/кг (по Кирсанову)
Апах., 0-20 5,1 2,0 32,0 4,2 2 135 350
А2В, 20-40 4,6 0,9 27,9 4,4 1,7 90 150
В, 40-60 4,0 0,5 12,0 8,9 1,2 40 80
составляет около 2%. В почву вносили азотные удобрения с целью увеличения газообразных потерь азота, так как в надпочвенном воздухе их количество настолько незначительно, что усложняет проведение эксперимента из-за использования сверхвысокоточного оборудования.
Методика исследований. Лабораторные опыты проводили в герметичных сосудах емкостью 200 мл, оборудованных штуцерами для взятия образцов надпочвенного воздуха шприцом. В навески воздушно-сухой почвы массой 100 г вносили удобрения СаН2РО4, KCl и Ca(NO3)2 из расчета 100 мг P2O5 и K2O, и 50 мг, 100 мг, 150 мг азота на 1 кг почвы, доводили влажность почвы до 60-70% ПВ (в зависимости от условий опыта), тщательно перемешивали и помещали в сосуды, которые герметизировали, атмосфера обычная. Повторность опыта трехкратная. Образцы надпочвенного воздуха для определения концентраций закиси азота и углекислого газа отбирали через 2, 4, 8, 12, 16, 20, 24 и 28 дней. Анализы надпочвенного воздуха проводили методом газоадсорбционной хроматографии на газоадсорбционном хроматографе Хром-5.
Данный хроматограф состоит из колонки изготовленной из нержавеющей стали длиной 2,5 м и внутренним диаметром 5 мм, наполненной Porapak-Q (50-60 mesh) для определения СО2; N2O; C2H2 и C2H4. В качестве детектора использовали катаро-метр - детектор по теплопроводности; газ-носитель - гелий при расходе 60 мл/мин., температура колонок и детектора +40°С [7-9]. Концентрацию газов рассчитывали по калибровочной кривой, приводя к нормальным условиям.
Схема опыта включала в себя три варианта по уровню азотного питания в трехкратной повторно-сти: 1) Без удобрений; 2) Фон - Pi00Ki00 мг/кг в виде СаН2РО4 с KCl; 3) Фон + N50 мг/кг в виде Ca(NO3b; 4) Фон + N100 мг/кг в виде Ca(NO3)2; 5) Фон + N150 мг/кг в виде Ca(NO3)2.
Также была взята еще одна схема опыта с внесением легкодоступного органического вещества, а именно 1% глюкозы: 1) Без удобрений; 2) Фон (P100K100 мг/кг в виде СаН2РО4 с KCl) + 1% глюкоза; 3) Фон + N50 мг/кг в виде Ca(NO3)2 + 1% глюкоза; 4) Фон + N100 мг/кг в виде Ca(NO3)2 + 1% глюкоза; 5) Фон + N150 мг/кг в виде Ca(NO3)2 + 1% глюкоза.
Результаты опытов показали, какие газообразные потери азота, и в каком составе произошли в различных слоях почвенного профиля, и какова
интенсивность почвенного дыхания, а также было выявлено, как меняется интенсивность почвенного дыхания с увеличением глубины и экспозиции (табл. 2).
С увеличением глубины почвенного профиля газообразные потери азота увеличиваются. Следовательно газообразные потери из слоя 0-20 см составляют - 3 мг, а из слоев 20-40 см и 40-60 см - соответственно 5 и 9 мг К-1Ч20/л почвенного воздуха. Наиболее благоприятные условия для газообразных потерь азота складываются в самом нижнем слое почвы. С увеличением экспозиции, количество газообразных потерь азота уменьшается, то есть в первые несколько дней происходит максимальное выделение закиси азота из почвы, а в последующие дни происходит спад, и к концу опыта полностью прекращается выделение закиси азота из верхнего слоя, а в более глубоких ее концентрация уменьшается.
При внесении легкодоступного органического вещества (1% глюкозы), для активизации жизнедеятельности микроорганизмов происходило резкое увеличение скорости восстановления К20 до К2, вследствие этого за несколько дней практически вся закись азота была редуцирована из почвы. В серии лабораторных опытов была изучена динамика выделения углекислого газа из дерново-подзолистой почвы (табл. 3).
2. Динамика выделения N20 из различных
слоев почвенного профиля дерново-подзолистой почвы без внесения глюкозы _(мг N-N20^ почвенного воздуха)_
Вариант Слой, см Экспозиция, дни
2 4 8 12
Без удобрений 0-20 см 0,12 0,34 0,21 -
20-40 см 0,24 0,40 0,28 0,18
40-60 см 0,31 0,48 0,36 0,27
Фон + Р100К100, мг/кг 0-20 см 0,20 0,51 0,45 0,35
20-40 см 0,33 0,78 0,52 0,48
40-60 см 0,55 1,50 0,74 0,53
Фон + N5^ мг/кг 0-20 см 0,27 2,20 0,35 0,15
20-40 см 0,48 4,70 0,53 0,51
40-60 см 1,11 8,15 1,85 1,15
Фон + ^00, мг/кг 0-20 см 0,35 2,70 0,39 0,22
20-40 см 0,62 5,20 0,75 0,67
40-60 см 1,21 10,0 1,92 1,20
Фон + ^50, мг/кг 0-20 см 0,39 3,01 0,41 0,50
20-40 см 0,70 5,60 0,87 0,74
40-60 см 1,36 12,0 2,03 1,27
3. Динамика выделения углекислого газа в виде С-СО2 (мг/л) из дерново-подзолистой почвы без добавления глюкозы
Вариант Слой, см Экспозиция, дни
4 8 12 16 20
Без удобрений 0-20 8,8 9,0 9,4 10,1 10,3
20-40 12,4 12,5 13,1 13,8 13,8
40-60 13,0 13,2 14,0 14,2 14,2
Фон + РюоКюо, мг/кг 0-20 9,3 11,1 11,3 10,8 15,3
20-40 11,2 13,4 12,8 10,9 19,4
40-60 15,4 23,0 22,2 19,5 26,1
Фон + N5^ мг/кг 0-20 16,5 17,2 17,1 16,9 16,9
20-40 18,0 19,3 19,5 19,6 21,0
40-60 22,1 26,8 27,7 28,0 29,1
Фон + N100, мг/кг 0-20 16,8 22,4 18,0 18,5 18,8
20-40 17,6 22,8 22,9 23,0 23,0
40-60 22,5 25,9 26,9 26,9 26,9
Фон + N150, мг/кг 0-20 16,8 22,5 22,3 22,8 22,7
20-40 17,9 23,0 23,1 23,0 23,0
40-60 22,8 26,1 26,3 27,0 26,9
С глубиной и увеличением экспозиции концентрация углекислого газа повышается. Наибольшее
количество углекислого газа наблюдается в нижнем слое почвы (40-60 см), а наименьшее в самом верхнем (0-20 см).
Содержание кислорода снижается, нижние слои почвенного профиля содержат меньшее количество кислорода, и с увеличением экспозиции происходят аналогичные процессы.
Внесение глюкозы в качестве энергетического материала активизировало в почве протекающие в ней микробиологические процессы. В этом случае наблюдалось резкое увеличение количества СО2, выделяющегося в атмосферу сосудов по сравнению с почвой, где отсутствовало внесение глюкозы.
Таким образом, результаты исследований помогут установить газовый состав газообразных потерь азота из разных слоев почвы при внесении удобрений. Данные опытов, возможно, позволят найти пути решения снижения непроизводительных потерь азота и смещения соотношения Ы20/Ы2 в сторону терминального продукта де-нитрификации - молекулярного азота и повышения доступности растениям элементов питания.
Литература
1. Кидин В.В., Зенкина В.В. Влияние рыхления и аэрации почвы разных горизонтов на ее биологическую активность, аммонификацию и денитрификацию // Известия ТСХА, 2008, Вып. 3. - С. 33-41.
2. Кидин В.В., Ахметова А.Б. Доступность растениям и особенности превращения аммонийного и нитратного азота разных горизонтов дерново-подзолистой почвы // Агрохимия, 2011, № 9. - С. 43-50.
3. Hayakawa A., Akiyama H., Sudo S., Yagi K. N2O and NO emissions from an Andisol field as influenced by pelleted poultry manure // Soil Biology & Biochemistry, 2009, № 41. - P. 521-529.
4. Завалин А.А., Благовещенская Г.Г., Чернова Л.С., Шмырева Н.Я. Управление азотным питанием // Агрохимический вестник, 2012, № 4. - С. 38-40.
5. Торшин С.П. Размер и состав газообразных потерь азота почвы и удобрений в различных условиях. Дисс. к.б.н. - М., 1982. - 235 с.
6. Педишюс Р.К. Потери азота удобрений из почвы и состав выделяющихся газообразных продуктов при различных условиях. Автореферат дисс. к.б.н., - М., 1973. -21 с.
7. Bremner J.M., Blackmer A.H. Nitrous oxide: Emission from soils during nitrification of fertilizer nitrogen // Science, 1978, v. 199, No. 4326. - P. 295-296.
8. Bailey L.D, Beauchamp E.G. Gas chromatography of gases emanating from a saturated soil system. Canada // J. Soil Science, 1973, v. 53, No. 1. - P. 122-125.
9. Кураков А.В., Прохоров И.С., Костина Н.В., Махова Е.Г., Садыкова В.С. Стимуляция грибами азотфиксации в дерново-подзолистых почвах // Почвоведение, 2006, № 9. - С. 1075-1081.
References
1. Kidin V.V., Zenkina V.V. Influence of soil scarification and aeration at different horizons on it biological acitivity, ammonification and denitrification // Izvestia of TSKHA, 2008, Vol. 3. - P. 33-41.
2. Kidin V.V., Akhmetova A.B. Ammonia and nitrate nitrogen availability to plants and transformation at different horizons of sod-podzolic soil // Agrochemistry, 2011, № 9. - P. 43-50.
3. Hayakawa A., Akiyama H., Sudo S., Yagi K. N2O and NO emissions from an Andisol field as influenced by pelleted poultry manure // Soil Biology & Biochemistry, 2009, № 41. - P. 521-529.
4. Zavalin A.A., Blagoveshchenskaya G.G., Chernova L.S., Shmyreva N.Ya. Management of nitrogen nutrition // Agrochemical herald, 2012, № 4. - P. 38-40.
5. Torshin S.P. Volume and content of gaseous losses of soil and fertilizer losses at different conditions. Thesis of PhD. -М., 1982. - 235 p.
6. Pedishus R.K. Losses of fertilizer nitrogen from soil and content of gaseous emission at different conditions. Thesis of PhD., - М., 1973. - 21 p.
7. Bremner J.M., Blackmer A.H. Nitrous oxide: Emission from soils during nitrification of fertilizer nitrogen // Science, 1978, v. 199, No. 4326. - P. 295-296.
8. Bailey L.D, Beauchamp E.G. Gas chromatography of gases emanating from a saturated soil system. Canada // J. Soil Science, 1973, v. 53, No. 1. - P. 122-125.
9. Kurakov A.V., Makhova E.G., Sadykova V.S., Prokhorov I.S., Kostina N.V. Stimulation of nitrogen fixation in soddy-podzolic soils with fungi // Eurasian Soil Science, 2006, Vol. 39, № 9. - P. 968-974.
