CC BY
26
УДК 631.42:631.8
ХИМИЗАЦИЯ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ ПОЧВЫ
М.Т. КУПРИЧЕНКОВ, доктор сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник
Н.Н. ШАПОВАЛОВА, зав. лабораторией Е.П. ШУСТИКОВА, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник
Ставропольский НИИ сельского хозяйства Россель-хозакадемии, Россия, Ставропольский край, Шпаков-ский район, г. Михайловск, ул. Никонова, 49 E-mail: [email protected]
Резюме. Проведена оценка последействия многолетнего ежегодного внесения разных видов и доз минеральных удобрений на агроэкологическое состояние верхнего слоя (0...60 см) чернозема обыкновенного Центрального Предкавказья на основе анализа реакции почвенной среды (рН), содержания общего и подвижного гумуса, а также показателей ферментативной активности. Исследования выполнены в 2012-2013 гг. на базе стационарного полевого опыта, заложенного в 1975г., в котором за период изучения действия удобрений было внесено от630до 3780кг/га азота и фосфора в чистом виде и на фоне 1800кг/га калия. Влияние агрохи-микатов на почвенную экосистему обусловлено видом удобрения. Внесение минерального фосфора способствовало увеличению в слое 0...60 см содержания гумуса (в пределах0,43.0,65%) и повышению в 4-7 раз активности инвертазы, участвующей в гидролизе сложных углеводов растительных остатков. Применение азотного удобрения на черноземе обыкновенном не оказало существенного влияния на общее содержание гумуса, однако, наряду с более интенсивным подкислением пахотного слоя почвы (на 0,48...0,79ед. рН), вызвало увеличение в его составе доли подвижного гумуса (до 17%), что означает рост окисленности органического вещества и его возможные потери. Кроме того, внесение минерального азота способствовало повышению активности уреазы в слое 0...60 см в 1,6раза, фосфатазы в слое 0...40 см - в 1,9-3,2 раза. Результаты исследований показали неоднозначность действия удобрений на экосистему чернозема, что создает предпосылки для поиска механизмов управления ферментативной активностью почвы путем подбора их видов.
Ключевые слова: азот, фосфор, гумус общий и подвижный, каталаза, уреаза, фосфатаза, инвертаза, стабилизация, равновесие
Содержание гумуса вполне обосновано признается интегральным показателем плодородия почвы, поскольку почти все известные ее свойства так или иначе связаны с величиной этого параметра.
Еще одна важная характеристика почвы - биологическая активность, которая определяется, в том числе деятельностью почвенных ферментов, представляющих собой органические вещества белковой природы, которые существенно, в сотни и тысячи раз, ускоряют протекание в почвах биохимических реакций. Наряду с численностью микробиоты, ее признают надежным и устойчивым показателем биогенности почвы [1].
Активность почвенных ферментов в значительной степени зависит от гидротермических условий [2, 3], а также от используемых в качестве удобрения минеральных и органических веществ. При этом последний вопрос малоизучен.
В связи с изложенным, цель наших исследований - оценка последействия многолетнего внесения минеральных удобрений на сохранность гумуса и ферментативную активность почвы.
Условия, материалы и методы. Исследования проводили на черноземе обыкновенном мощном малогумусном тяжелосуглинистом на лессовидных суглинках в пределах Центрального Предкавказья (Ставропольская возвышенность). Перед закладкой опыта пахотный слой почвы характеризовался следующими агрохимическими показателями: рН водной суспен-
зии - 7,35; содержание гумуса (по Тюрину) - 4,31%; карбонатов - 0,80.. .1,30%; валовое количество азота -0,32%; фосфора - 0,15% и калия - 2,10% при запасах 7,5; 3,5 и 49,1 т/га соответственно. Содержание подвижного фосфора и обменного калия (по Мачигину) -10,4.15,7 и 196.212 мг/кг почвы соответственно.
Исследования выполняли в 2012-2013 гг. на базе длительного полевого опыта, заложенного в 1976 г. Схема опыта включает 42 варианта и построена по принципу блоков: азотного, фосфорного и калийного. До 2006 г. проводили ежегодное внесение возрастающих доз каждого из трех видов удобрения (от 30 до 180 кг/га д.в.) на естественном и удобренном фонах (по 120 кг/га двух других элементов). За время проведения эксперимента прошло 5 ротаций (30 лет), в течение которых вносили удобрения, в последние 7 лет анализировали их последействие. Прямое влияние удобрений изучали в зернопаропропашном севообороте - пар - озимая пшеница - озимая пшеница - кукуруза на силос - озимая пшеница - овес (начиная с 3-ей ротации заменен на яровой ячмень); последействие - чистый пар -озимая пшеница - озимый ячмень - соя - яровой ячмень -лен - озимая пшеница - пар - озимая пшеница. В 90-е гг. в течение 4-х лет удобрения не применяли, а с возобновлением внесения удобрительных средств в 1997 г. перестали использовать калийные туки. Таким образом, по указанной схеме было проведено 21-кратное наложение доз азотных и фосфорных и 15-кратное калийных удобрений. В зависимости от дозы суммарное внесение азота и фосфора за 5 ротаций составило 630.3780 кг/га, калия - 450. 2700 кг/га. В результате на поле был сформирован полигон, характеризующийся высоким разнообразием агрохимических свойств [4]. Начиная с 2006 г. и до сих пор в опыте изучается последействие внесенных ранее туков.
В работе приведены обобщенные материалы по 16 наиболее типичным вариантам: Р0 (контроль); Р30; Р90
Р15с; м12сК120 (фон 1); фон 1+Рэс; фон ^Р»; фон 1^Р150 N (контроль); N30; м90; ^50; Р^К^ (фон 2); фон 2+^0 фон 2+Ч,0; фон 2+^50.
Отбор почвенных проб проводили в начале весенней вегетации озимой пшеницы на 6-й год последействия. В образцах определяли содержание общего и подвижного гумуса по Тюрину, активность почвенных ферментов - с использованием методов, изложенных в работе [5].
Почвенные ферменты реагируют на все происходящие естественные и антропогенные воздействия, в том числе на такой мощный фактор, как химизация земледелия. В опыте изучали последействие минеральных удобрений на активность таких наиболее важных ферментов, участвующих в разложении сложных веществ почвы, как каталаза, уреаза, фосфатаза, инвертаза.
Результаты и обсуждение. Многолетнее внесение минеральных удобрений в возрастающих дозах вызва-
Таблица 1. Влияние длительного применения удобрений на реакцию почвенной среды (рНводн) в пахотном слое чернозема обыкновенного [6]
Вариант
Ротация
Р0 (контроль)
N30
1 »пп
1-я (1976 г ) | 5-я (2006 г.)
7,35 7,40 7,40 7,30 7,20 7,20 7,20
7,03 6,92 6,61 6,64 7,00 6,82 6,78
150
30
90
ло значительное изменение агрохимических свойств чернозема, причем в зависимости от вида удобрения они были неоднозначны.
Анализ, начатый с реакции почвенного раствора, показал, что величина рН пахотного слоя по окончании 5-й ротации севооборота (паровое поле, 2006 г.) в контроле (без применения удобрений) снизилась с 7,35 (1976 г.) до 7,03 (2006 г.) [6]. Длительное систематическое использование фосфорных и азотных удобрений привело к более значительному подкислению почвенного раствора (табл.1). Так, с ростом дозы фосфора от 30 до 150 кг/га величина показателя рН снизилась с 7,00 до 6,78, азота - с 6,92 до 6,64.
На основании приведенных данных можно сделать вывод о том, что азотные удобрения вызывают более интенсивное подкисление почвенного раствора, то есть сильнее разбалансируют почвенную экосистему, чем фосфорные. В опыте снижение рН при внесении азота оказалось в 1,62,0 раза выше, чем в вариантах с применением фосфора, что означает увеличение степени окисленности органического вещества почвы или его разложение и утрату.
Такое предположение подтверждается результатами изменения гумусового потенциала чернозема -общего количества и подвижной части (табл. 2).
Таблица 2. Изменение гумусированности почвенных слоёв чернозема в зависимости от вида и дозы минерального удобрения (1976-2012 гг.)*
Вариант Общий гумус, % Подвижный гумус, %
0...20 см \20...40 см\40...60 см 0.20 см 120.40 см\40...60 см
Блок фосфора
Р0 (контроль)
«20 (Фон 1) фон 1 + Р30
фон 1 + Р30
фон 1 + Р"150
N.. (контроль)
N30
с
РК (фон 2) фон 2 + N30 Фон 2 + ^о Фон 2 + Ч50
3,90 3,35 2,73 0,42 0,25 0,15
4,42 4,02 3,29 0,45 0,26 0,17
4,31 4,01 3,40 0,54 0,40 0,18
4,26 3,98 3,21 0,57 0,36 0,18
4,01 3,91 3,25 0,57 0,41 0,16
4,22 3,85 3,41 0,62 0,38 0,19
4,17 3,65 3,15 0,67 0,31 0,18
4,05 3,68 3,08 0,66 0,31 0,20
Блок азота
3,91 3,77 3,09 0,44 0,31 0,13
4,04 3,78 3,24 0,53 0,35 0,18
3,86 3,77 3,12 0,59 0,38 0,20
3,94 3,89 3,11 0,66 0,49 0,23
3,94 3,56 2,95 0,52 0,31 0,17
3,81 3,58 2,83 0,48 0,31 0,14
3,76 3,31 2,81 0,46 0,28 0,16
3,70 3,38 2,97 0,57 0,29 0,14
*НСР05 для общего гумуса при внесении фосфорных удобрений - 0,28%, подвижного гумуса - 0,13%, при использовании азотных - 0,24 и 0,12% соответственно.
При внесении только минерального азота содержание общего гумуса в слое 0.. .20 см изменялось на 0,05.. .0,13%, 20.. .40 см - на 0,01.0,12%, 40.60 см - на 0,03.0,15%, что находилось в пределах ошибки опыта. В случае улучшения условий азотного питания на фоне Р120К120 в слое почвы 0.20 см отмечена тенденция снижения содержания общего гумуса, по сравнению с контролем, на 0,10.0,21%, а на глубине 20.40 см происходило достоверное уменьшение величины этого показателя на 0,76%.
Систематическое применение фосфатов способствовало существенному увеличению количества общего гумуса до глубины 60 см. В среднем по всем вариантам прирост к контролю в слое 0.20 см составил 0,43%, 20.40 см - 0,65% и 40.60 см - 0,57%. В то же время на фоне ежегодного использования ^20К120 увеличение было менее заметно - 0,28; 0,37 и 0,48% соответственно.
Анализ динамики подвижного гумуса показал, что самой низкой его долей в составе общего гумуса (10.13%) отличаются варианты с внесением фосфора в дозах 30, 90,
150 кг/га. При использовании аналогичных доз на азотно-калийном фоне величина этого показателя возрастала до 14.16%. Наибольшая доля подвижного гумуса (17%) отмечена на делянке с внесением только азота в дозе ^50, на фосфорно-калийном фоне она снижалась до 12.15%.
В процессе исследований установлено, что ката-лаза, участвующая в реакциях разложения перекиси водорода до воды и атомарного кислорода, в вариантах с односторонним использованием фосфорных удобрений в слое 0.20 см повышает свою активность более чем в 2 раза, 20.40 см - практически не изменяется, а с глубины 40 см - отмечается заметное снижение деятельности фермента (табл. 3). Следовательно, посредством внесения фосфорных удобрений можно изменять его активность в желаемом направлении.
Использование азотных удобрений, как в чистом виде, так и в составе полного минерального удобрения, не оказало заметного влияния на активность каталазы. При величине этого показателя в контроле 1,8 мл КМпО4 на 1 г почвы за 20 мин. внесение азота приводило к ее снижению до 1,2.1,6 мл, что находилось в пределах ошибки опыта.
Фермент уреаза активизирует реакции гидролитического расщепления внутримолекулярных связей мочевины, которая при этом распадается до аммиака,
углекислого газа и воды. В опыте ее активность в среднем по всем вариантам одностороннего внесения азота возросла на 0,7 мг N-NH4 на 1 г почвы за 1 ч. При наложении азота на фосфорно-калийный фон величина этого показателя имела тенденцию к снижению во всех изучаемых слоях до 0,8.1,4 мг N-NН4 на 1 г почвы за 1 ч, что было всего на 0,2 мг выше фона.
Фосфатаза ускоряет разложение до простых веществ фосфорорганических соединений с отщеплением остатка фосфорной кислоты. Можно предположить, что его активность должнаподавляться внесением фосфорныхудобрений вследствие наличия или даже избытка Р2О5 в почвенном растворе. Полученные данные полностью подтвердили такую гипотезу (см. табл.3).
При внесении фосфора в чистом виде активность фосфатазы в слое почвы 0.20 см в среднем по всем дозам составила 3,9 мг Р2О5 на 10 г почвы за 1 ч, что было в 2 раза ниже, чем при его использовании на фоне азота и калия.
На делянках с применением чистого азотного удобрения величина этого показателя повышалась и достигала в слое 0.20 см уровня 4,5.6,5 мг Р2О5 на 10 г почвы за 1 ч, а при использовании азота на фосфорно-калийном фоне активность фосфатазы снижалась до 3,2.5,6 мг, приближаясь к величинам, установленным в вариантах с фосфором.
Фермент инвертаза катализирует расщепление сахарозы на глюкозу и фруктозу, достигая наибольшей активности весной и осенью [3]. Поскольку отбор почвенных образцов в опыте проводили в апреле, то можно считать, что величина этого показателя в указанный период была максимальной или близкой к ней.
30
10
Таблица 3. Последействие минеральных удобрений на активность почвенных ферментов в профиле чернозема обыкновенного
Вариант
Каталаза, мл 0,1н KMnOd на 1 г почвы за 20 мин.
Уреаза, мг N-NH4 на 1 г почвы за 1 ч
Фосфатаза, мг Р О5 на 10 г почвы за 1 ч
Инвертаза, мг глюко зы на 1 г почвы за 40 ч
слои почвы, см
0...201 20...401 40...60 №...20120...40140...6010...201 20...401 40...6010...201 20...401 40...60
Р0 (контроль)
150
NK (фон 1)
Фон 1 + Р30 Ф°н 1 + Р90 Ф°н 1 + Р150
НСР05
Р0 (контроль)
NN030 NN90
150
^К (фон 2) Фон 2 + N30 Фон 2 + N30 фон 2 + N150 НСР05 150
Блок фосфора
1,8 2,3 2,1 1,4 1,5 1,4 3,5 1,0 0,9 6,5 6,3 2,3
4,1 2,9 1,3 1,4 1,0 0,9 4,1 2,5 1,3 22,1 12,9 13,8
4,0 2,5 1,1 1,8 1,3 1,3 4,0 2,5 1,1 26,6 23,0 16,9
3,7 2,4 0,9 1,7 1,4 1,0 3,7 2,4 0,9 20,2 17,9 11,6
1,6 1,9 1,7 1,6 1,4 1,6 8,4 4,2 1,8 12,7 7,7 9,7
2,3 1,8 2,5 1,5 1,3 1,7 8,6 3,7 0,9 9,5 8,3 6,0
2,0 1,8 2,2 1,6 1,4 1,3 5,7 2,6 1,0 7,7 5,9 6,1
1,7 1,7 1,8 1,8 1,6 1,2 9,4 4,0 1,2 4,9 7,8 6,9
0,71 0,55 2,34 5,59
Блок азота
1,8 2,3 2,1 1,4 1,5 1,4 3,5 1,0 0,9 6,5 6,3 2,3
1,3 1,4 1,6 2,2 2,4 2,3 6,5 2,7 1,3 10,1 7,0 1,8
1,8 1,6 1,4 1,9 1,3 1,9 6,6 3,0 0,8 8,3 5,2 2,9
1,2 0,9 1,3 2,3 2,4 2,1 4,5 3,2 0,8 8,9 5,7 3,4
1,3 1,7 1,3 1,1 0,9 0,8 3,2 1,7 0,1 6,1 3,5 2,2
1,8 1,1 1,7 1,1 1,0 0,9 5,0 1,5 0,1 6,8 4,5 2,4
1,6 1,8 1,5 1,0 1,1 1,1 3,2 1,1 0,2 5,7 3,6 3,7
1,8 1,4 1,9 1,2 1,4 1,3 5,6 1,8 0,9 4,5 3,1 2,2
0,71 0,43 1,94 2,52
30
90
После внесения фосфора активность инвертазы возрастала до самых высоких в опыте величин. Так, в слое 0.20 см в этих вариантах она колебалась в пределах 20,2.26,6 мг глюкозы на 1 г почвы за 40 ч, тогда как при совместном применении фосфорных и азотно-калийных удобрений не превышала 4,9.9,5 мг. Близкие к этим величины были отмечены и при одностороннем использовании азота (в слое 0.20 см - 4,5.6,8 мг.).
Выводы. Широкая химизация земледелия, ведущая к повышению эффективного плодородия почвы и урожайности возделываемых культур, вызывает глубокие изменения и нарушает динамическое равновесие почвенной экосистемы, что ведет к её разбалансированности. Особенно интенсивно воздействует внесение минеральных азотных удобрений. Прежде всего, в течение трех десятков лет (1976-2006 гг.) наблюдается подкисление почвенного раствора. Увеличение степени окисленности
гумуса хотя и не приводит к его утрате, но способствует повышению доли подвижной части с 11% (на неудобренном фоне) до 15...17% (при внесении азота).
Действие минеральных удобрений на биогенность почвы, в частности, на её ферментативную активность не однозначно и зависит от природы фермента и вида удобрения.
В пахотном слое почвы на фоне применения фосфорного удобрения возрастает активность каталазы и инвертазы - в 2,0-2,3 и 3,1-4,1 раза соответственно; азотного - уреазы (в 1,4-1,6 раза) и фосфатазы (в 1,3-1,9 раза). При внесении фосфора активность фосфатазы снижается в 2 раза.
Полученные результаты создают предпосылки для поиска механизмов регулирования ферментативной активности почвы путем подбора видов и доз минеральных удобрений.
Литература.
1. Галстян А.Ш. К методике определения активности гидролитических ферментов почвы// Почвоведение. 1965. № 2. С. 68-74.
2. Куприченков М.Т., Антонова Т.Н. Ферменты в почвах Предкавказья. Ставрополь: Агрус, 2010. 192 с.
3. Куприченков М.Т., Менькина Е.А. Биогенность чернозема обыкновенного Предкавказья//Плодородие. 2013. № 5. С. 23-24.
4. Шаповалова Н.Н., Шустикова Е.П. Мониторинг плодородия чернозема обыкновенного, сформированного под воздействием длительного применения минеральных удобрений // Состояние и перспективы агрохимических исследований в Географической сети опытов с удобрениями: материалы Международ. научн.-метод. конф. М.: ВНИИА, 2010. С. 131-134.
5. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. М.: Наука, 1990. 271 с.
6. Шустикова Е.П., Шаповалова Н.Н. Продуктивность чернозема обыкновенного при длительном систематическом применении минеральных удобрений // Результаты длительных исследований в системе географической сети опытов с удобрениями Российской Федерации (к 70-летию Геосети): сб. научн. тр. М.: ВНИИА, 2011. С. 331-351
CHEMICALIZATION AND ECOLOGICAL BALANCE OF SOIL M.T. Kuprichenkov, N.N. Shapovalova, E.P. Shustikova
Stavropol Research Institute on Agriculture of Russian Academy of Agrarian Sciences, Russia, Stavropol region, Shpakovsky district, Mikhaylovsk city, Nikonova Str., 49
Summary. The long-term annual effect of applying different types and doses of fertilizers on agro-ecological conditions of the upper layer (0 ... 60 cm) of ordinary black soil in central Caucasus region based on the analysis of soil reaction (pH), total content of humus, its mobile part and indicators of enzymatic activity. The studies were performed in 2012-2013 on the basis of the stationary field experiment, established in 1975, where over a period of studying from 630 to 3780 kg-ha of nitrogen and phosphorus were applied in pure form and in background 1800 kg-ha of potassium. Influence of agrochemicals on soil ecosystem was caused by the type of fertilizers. Phosphate fertilizers contributed to the increase in the layer of 0 ... 60 cm amount of organic matter (within 0, 43...0, 65%) and, in 4 - 7 times - invertase activity that ferment is involved in the hydrolysis of complex carbohydrates of plant residues. Applying mineral nitrogen on ordinary black soil had no significant effect on the total content of organic matter, however, along with more intense acidification of topsoil (0,48 ... 0,79 units PH) caused increasing the share of its movable part (up to 17%) and oxidation of organic matter and its potential losses. Nitrogen fertilizers helped to increase by 1,6 times in the layer 0 ... 60 cm urease activity that responsible for the release of ammonia nitrogen by hydrolytic cleavage of urea, and in 1,9-3,2 times in the layer 0 ... 40 cm - phosphatase activity accelerating decomposition of organophosphorus compounds to simple substances. The results showed different influence of the fertilizers on the ecosystem of black soil that allows running the enzymatic activity of the soil by casting of their types. Keywords: nitrogen, phosphorus, total humus and mobile, catalase, urease, phosphatase, invertase, stabilization, balance.
