CC BY
11УДК 631.811.1:633.13:632.125
ПОТОКИ И БАЛАНС АЗОТА УДОБРЕНИЯ И АЗОТА ПОЧВЫ
В УСЛОВИЯХ СЕВООБОРОТА НА ЭРОДИРОВАННОЙ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЕ (ИССЛЕДОВАНИЯ С 15N)
Сообщение 2. Овес
Н.Я. Шмырева, к.б.н.,А.А. Завалин, акад. РАН, O.A. Соколов, д.б.н., ВНИИагрохимии 127550, Москва, ул. Прянишникова, 31а. Россия, E-mail: info@vniia-pr.ru
Показано, что овес на дерново-подзолистой почве лучше в 1,3-1,6 раза использовал азот, больше в 1,1-1,6 раза его закреплялось в почве и меньше в 1,2-2,7 раза терялось в приводораздельной части по сравнению с нижней его частью. При локальном способе внесения азотных удобрений повышалась экологическая устойчивость агрофито-ценоза, усиливалось потребление азота растениями, увеличивалась иммобилизация его в почве и снижались в 1,13,1 раза газообразные потери азота по сравнению с разбросным способом применения. Наибольший урожай зерна овес формировал в приводораздельной части склона в третьей ротации севооборота при локализации азотных удобрений. Солома снижала урожай зерна овса на 4-11%, а содержание сырого белка на 0,3-0,5%.
Ключевые слова: изотоп азота 15N, севооборот, потоки и баланс азота, эрозия, элементы склона, иммобилизация, газообразные потери.
Б01: 10.25680/819948603.2019.106.15
На склоновых почвах усиливаются процессы миграции элементов питания (особенно азота), что ведет к снижению их участия в продукционном процессе (продуктивность сельскохозяйственных культур уменьшается на 10-60%) и к загрязнению природной среды [2, 5, 8]. Однако как меняются потоки азота в агрофитоцено-зе на эродированных почвах в зависимости от типа севооборота остается не изученным [3,7].
Цель исследований - с помощью меченого 1 ^Ы удобрения выявить потоки и баланс азота удобрения и азота почвы при выращивании овса на эродированной дерново-подзолистой почве в трех ротациях севооборота.
Методика. В Смоленском НИИСХ в 2002 г. на делянках длительного опыта в варианте (Ш1Р1К) в начале третьей ротации пятипольного севооборота (1-озимая рожь; 2-овес; 3-ячмень с подсевом травосмесей; 4- травосмеси 1-го г.п.; 5-травосмеси 2-го г.п.) был заложен микрополевой опыт с сернокислым, обогащенным меченым азотом (обогащ. 20 ат%).
Метеорологические условия вегетационного периода 2002 г. были неблагоприятными. ГТК в засушливый вегетационный период составил 0,9 по сравнению со среднемноголетним (1,5). Запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы в мае 2002 г. равны 107 мм в приводораздельной, 94 в средней и 105 мм в нижней частях склона, а в период уборки (август) 59, 65 и 49 мм соответственно. В целом метеорологические условия для выращивания овса во второй ротации были удовлетворительными. ГТК за период вегетации овса приближался (1,5) к среднемноголетнему (1,6). Метеорологические условия для произрастания овса в 2012 г. были неблагоприятными. ГТК за период вегетации растений составил 1,5 (при среднемноголетнем 1,7). Наблюдался дефицит осадков в мае, июле, августе, а в июне их выпало в 1,7 раза больше по сравнению со среднемноголетним значением. При этом температура воздуха была ниже в 1,1 раза в мае - июне, а в июле в 1,1 раза выше.
Почва - дерново-подзолистая среднесуглинистая на карбонатном моренном суглинке слабо- (приводораз-дельная часть склона 2-3°) и среднесмытая (нижняя часть склона 5-7°). Содержание физической глины 32-
34%. Агрохимическая характеристика пахотных слоев этих почв: рНсол 5,7; 6,1, Нг - 1,18; 0,8 ммоль/100 г почвы, содержание обменных Са2+ ~ 5,5; 6,0 ммоль/100 г почвы и Mg2+ - 2,0; 2,2 ммоль /100 г почвы, гумуса -2,1; 0,8%, общего азота - 0,09; 0,07, подвижных форм фосфора - 13,7; 18,7 мг/100 г почвы, калия - 13,8; 16,7 мг/100 г почвы (по Кирсанову).
Микрополевой опыт (размер делянок 0,5 м х 1,0 м) размещен на склоне ЮВ экспозиции вогнуто-выпуклой формы в верхней части с уклоном 2-3°, и в нижней - 57°. Длина склона 300 м. Повторность - 4-кратная, с 15N - двукратная. Ширина защитных полос между микроделянками 0,5 м. Обработку почвы - отвальная вспашка + рыхление подпахотного слоя на глубину 10-15 см -осуществляли вручную. Перед закладкой опыта проведено известкование из расчета полной нормы гидролитической кислотности. 15N азотные удобрения под овес (N50) вносили весной локально на глубину 10 см лентой и вразброс. Норма высева овса (сорт Скакун) - 5 млн всхожих зерен на 1 га. В почве и растительном материале общий азот определяли по методу Кьельдаля-Иодльбауэра. Изотопный анализ проводили на масс-спектрометрах МИ - 1102 и Delta V. Другие аналитические показатели почвы и растений устанавливали в лабораториях ВНИИ А по общепринятым методикам. Потоки азота почвы определяли согласно методике [4, 9, 15].
Результаты и их обсуждение. В условиях 3-й ротации севооборота существенно (в 1,1-1,9 раза при разбросном и в 1,1-2,3 раза при локальном способах внесения азотного удобрения) возросло потребление азота почвы овсом по сравнению с первой и второй ротациями (табл.1) [11,12]. Засушливый период в первой ротации севооборота существенно снижал их потребление растениями. Наибольшее количество азота почвы и азота удобрения растения потребляли в верхней (приводораздельной) части склона, наименьшее - в нижней части склона, что характерно и для озимой ржи [10]. Азотные удобрения усиливали потребление азота почвы овсом в верхней части склона в 1,6-2,5 раза и в 1,42,5 раза в нижней части склона. Однако максимальное
количество азота почвы овес потреблял при локальном внесении азотных удобрений, поскольку в наибольшей степени увеличивалась минерализация почвенного азота [5]. При локальном внесении азотные удобрения усиливали в 1,5-2,5 раза потребление азота почвы овсом в верхней части склона и в 1,4-2,1 раза - в нижней части склона. Солома (на фоне локального применения азотных удобрений) снижала потребление растениями азота удобрения на 12% и азота почвы на 18% в верхней части склона и на 16 и 15% в нижней части склона соответственно.
1. Потребление азота удобрения и азота почвы овсом в зависимости от элемента склона и способа внесения азотных удобрений в
Вариант опыта Общий вынос азота, г/м2 В том числе азот Экстраазот
удобрения почвы г/м2 %
г/м2 1 % г/м2 1 %
Первая ротация
Приводоразделъная часть склона, 2-3"
Р50К50 - фон 2,81 - - 2,81 100 - -
Фон + "N50 вразброс 5,48 0,70 13 4,78 87 1,97 36
Фон + "N50 локально 7,99 1,30 16 6,69 84 3,88 48
Фон + "N50 локально+солома 2 т/га 6,65 1,14 17 5,51 83 2,70 41
Нижняя часть склона, 5- 7°
Р5оК5о - фон 2,20 - - 2,20 100 - -
Фон + "N50 вразброс 5,12 0,50 10 4,62 90 2,42 47
Фон + "N50 локально 6,59 1,00 15 5,59 85 3,39 51
Фон + "N50 локально+солома 2 т/га 5,60 0,84 15 4,76 85 2,56 46
Вторая ротация
Приводоразделъная часть склона, 2-3"
Р50К50 - фон 2,16 - - 2,16 - - -
Фон + "N50 вразброс 5,26 1,23 23 4,04 77 1,88 36
Фон + "N50 локально 7,64 1,90 25 5,48 75 3,32 43
Нижняя часть склона, 5- 7°
Р50К50 - фон 1,44 - - 1,44 - - -
Фон + "N50 вразброс 2,74 0,76 28 1,98 72 0,54 20
Фон + "N50 локально 3,54 1,32 37 2,22 63 0,78 22
Третья ротация
Приводораздельная часть склона, 2-3"
Р50К50 - фон 3,54 - - 3,54 - - -
Фон + "N50 вразброс 6,89 1,30 18 5,59 82 2,05 30
Фон + "N50 локально 10,98 2,10 19 8,88 81 5,34 49
Нижняя часть склона, 5- 7°
Р50К50 - фон 2,52 - - 2,52 - - -
Фон + "N50 вразброс Л,11 0,95 20 3,82 80 1,30 27
Фон + "N50 локально 6,62 1,40 21 5,22 79 2,70 41
При выращивании овса на равнинных участках баланс азота удобрения складывается следующим образом: использование растениями 38-49%, иммобилизация 17-60, газообразные потери 19-31% от применяемой дозы [1]. Наименьшее количество азота удобрения овес потреблял в первую ротацию севооборота, т.е. в засушливый период, а наибольшее - в третьей ротации на всех элементах склона (табл. 2). Для третьей ротации
характерны повышенная иммобилизация азота удобрения и пониженные его газообразные потери.
2. Потоки и баланс азота удобрения при выращивании овса на различных элементах склона в зависимости от способа внесения
Вариант опыта Использовано растениями Закреплено в 100 см слое почвы Газообразные потери
1 | 2 1 | 2 1 | 2
Первая ротация
Фон + "N50 вразброс 0.70 14 0.50 10 1.27 25 0.81 16 3.03 61 3.69 74
Фон + "N50 локально 1.30 26 1.00 20 2.00 40 1.33 27 1.70 34 2.67 53
Фон + "N50 локально + солома, 2 т/га 1.14 23 0.84 17 1.52 30 0.96 19 2.34 47 3.20 64
Вторая ротация
Фон + "N50 вразброс 1.22 24 0.76 15 1.35 27 1.05 21 2.45 49 3.20 64
Фон + "N50 локально 1.90 38 1.32 26 2.10 42 1.45 29 1.00 20 2.25 42
Третья ротация
Фон + "N50 вразброс 1.30 26 0.95 19 1.38 28 1.27 25 2.32 46 2.78 56
Фон + "N50 локально 2.10 42 1.40 28 2.15 43 1.55 31 0.75 15 2.05 41
Примечания. 1 - приводораздельная часть склона, 2-3 ; 2 - нижняя часть склона, 5-7°. Над чертой - г/м2, под чертой - % от внесенного азота. Фон - Р50К50.
Использование азота удобрения овсом и его иммобилизация снижались, тогда как газообразные потери повышались от приводораздельной части склона к тальвегу. Локализация азотных удобрений улучшала использование азота удобрения растениями в 1,6-1,8 раза в верхней части склона и в 1,5-2 раза в нижней части, иммобилизацию в 1,6 раза и в 1,2-1,6 раза соответственно. Локальное внесение азотных удобрений в эрозионном агроландшафте является приоритетным и альтернативы ему нет, поскольку оно убирает минеральный азот из верхнего (3-5 см) слоя почвы, наиболее подверженного поверхностному смыву [2, 5, 10]. При локальном внесении азотных удобрений газообразные потери снижались в 1,8-3,1 раза в верхней части склона и в 1,1-1,4 раза в нижней его части по сравнению с разбросным их применением. Солома (на фоне локализации азотного удобрения) снижала использование азота растениями и его иммобилизацию, но повышала газообразные потери азота.
Использование изотопа азота 1 ^Ы позволило определить интенсивность процессов внутрипочвенного цикла азота (минерализация иммобилизация реиммоби-лизация) при выращивании сельскохозяйственных культур на склоне [2, 3,8].
При выращивании овса наиболее выражена минерализация почвенного азота при разбросном применении азотного удобрения (табл. 3).
При разбросном способе внесения азотного удобрения усиливались гетеротрофные микробиологические процессы: доля газообразных потерь азота достигала 43% на водоразделе и 54% от минерализованного азота почвы в нижней части склона. При локальном применении азотного удобрения доля потерь азота снижалась до 13% в приводораздельной части и до 40% в нижней части склона, при разбросном способе она достигала 72% при выращивании озимой ржи на этом же склоне [6]. При локальном внесении азотного удобрения доля потерь снижалась до 50%. При выращивании овса доля
нетто-минерализации (Н-М) азота почвы на приводо-раздельной части склона составила 67%, а в нижней части склона повышалась до 72%.
3. Потоки азота почвы и азота удобрения при выращивании овса на различных элементах склона в зависимости от способа _внесения азотного удобрения, г/м2
Показатель 15N5o
вразброс локально вразброс локально
Вынос азота почвы растениями 5,59 8,88 3,82 5,22
Остаточный минеральный азот 1,79 3,00 0,70 1,00
почвы
Иммобилизован- 5,93 9,09 5,10 5,03
ный/реиммобилизованный азот
почвы
Газообразные потери азота почвы 9,97 3,17 11,18 7,64
Минерализованный азот почвы 23,28 24,14 20,80 18,89
Нетто-минерализованный азот 15,56 12,05 15,00 12,86
почвы
Реиммобилизованный азот почвы 7,72 12,09 5,80 6,03
Использованный азот удобрения 1,30 2,10 0,95 1,40
растениями
Иммобилизованный азот удобре- 1,38 2,15 1,27 1,55
ния
Газообразные потери азота удоб- 2,32 0,75 2,78 2,05
рения
Приводораздельная часть склона, 2-3°
Нижняя часть склона, 5-7°
Способ внесения
Элемент склона азотного удобрения ('Чо) РИ:М,% Н-М:РИ
Приводораздельная Вразброс 33 2,0
часть склона, 2-3° Локально 50 1,0
Нижняя часть Вразброс 28 2,6
склона, 5-7° Локально 32 2,1
Примечание. РИ - реиммобилизованный азот, М ный, Н-М - нетто-минерализованный.
минерализован-
Продуктивность овса по ротациям севооборота зависела от погодных условий, азотного режима почв и от особенностей потребления азота растениями [11-13]. Наибольший урожай зерна на фоне (Р5оК5о) овес формировал на 3-й год ротации севооборота на всех элементах склона. На фоне применения азотных удобрений овес формировал наибольший урожай зерна во 2-й
ротации в верхней части склона и в 3-й ротации в нижней части склона. Урожайность зерна овса снижалась от приводораздельной части склона к нижней при разбросном внесении сульфата аммония в 1,3 раза, тогда как при локальном в 1,5 раза. При локальном внесении азотного удобрения урожай зерна овса повышался на 24-37% в верхней части склона и на 12-25% в нижней его части. При внесении соломы (на фоне локального применения азотного удобрения) урожай зерна снизился на 11% в верхней части склона и на 4% - в нижней части склона. Урожай соломы овса при локальном способе применения азотного удобрения повышался на 3142 % в верхней части склона и на 23-48% в нижней его части по сравнению с разбросным внесением той же дозы.
5. Продуктивность овса в зависимости от элемента склона и спо-
Локальное применение азотного удобрения уменьшало долю Н-М до 50% на водоразделе и до 68% в нижней части склона за счет существенного снижения газообразных потерь азота почвы. Реиммобилизация азота почвы снижалась в нижней части склона и повышалась при локализации азотного удобрения. Потребление азота почвы овсом снижалось в нижней части склона и повышалось при локальном применении азотного удобрения.
По показателям интегральной оценки функционирования системы, агрофитоценоз овса в приводораздельной части склона и при локальном применении азотного удобрения находился в наиболее устойчивом состоянии (зона гомеостаза) по сравнению с нижней частью склона (зона стресса) и при разбросном его внесении (зона стресса резистентности) (табл. 4). Локализация азотного удобрения повышала устойчивость агрофито-ценоза овса на всех элементах склона в третьей ротации севооборота.
4. Показатели интегральной оценки функционирования агроэко-
Уро- Прибавка Урожай соломы, г/м2 Прибавка
Вариант опыта жай зерна, г/м2 г/м2 % г/м2 %
Первая ротация
Приводораздельная часть склона, 2-3"
Р5оК5о - фон 128 117
Фон + ^N50 вразброс 203 75 58 143 26 22
Фон+ ^N50 локально 252 124 97 188 71 61
Фон+ ^N50 локально 225 97 76 170 53 45
+ солома, 2 т/га
Нижняя часть склона, 5- 7°
Р50К50 (фон) 119 63
Фон + ^N50 вразброс 186 67 56 95 32 51
Фон+ ^N50 локально 210 91 76 141 78 124
Фон + ^N50 локаль- 201 82 69 102 39 62
но + солома, 2 т/га
Вторая ротация
Приводораздельная часть склона, 2-3"
Р50К50 (фон) 177 212
Фон + 15N50 вразброс 328 151 85 394 182 86
Фон+ 15N50 локально 432 255 144 518 306 144
Нижняя часть склона, 5- 7°
Р50К50 (фон) 128 154
Фон + 15N50 вразброс 190 62 48 228 74 48
Фон+ 15N50 локально 233 105 82 280 126 82
Третья ротация
Приводоразделъная часть склона, 2-3"
Р50К50 (фон) 182 204
Фон + 15N50 вразброс 294 112 62 334 130 64
Фон+ 15N50 локально 403 221 121 474 270 132
Нижняя часть склона, 5- 7°
Р50К50 (фон) 142 159
Фон + ^N50 вразброс 219 77 54 265 106 67
Фон+ ^N50 локально 273 131 92 333 174 109
Р, % 2-3 2-3
НСРо,5, г/м2: част. ср. 14-20 24-51
рельеф 8-14 14-17
удобрений 10-11 14-36
Для белкового комплекса зерна овса характерны высокая доля глютелинов (свыше 50% от белкового азота) и повышенное содержание лизина и аргинина [10]. Зерно с максимальным содержанием сырого белка (13,3%) овес формировал в нижней части склона в засушливый период первой ротации севооборота, что связано, по-видимому, с наибольшим иссушением почвы (табл.6). Зерно с минимальным количеством сырого белка формировалось во второй ротации севооборота, что, скорее всего, зависит от распределения осадков по месяцам (ГТК во второй и третьей ротациях 1,5). В первой ротации содержание сырого белка в зерне повышалось в нижней части склона, тогда как в остальных ротациях
снижалось по сравнению с приводораздельнои частью склона. При локальном внесении азотного удобрения содержание сырого белка в зерне повышалось на 1,11,4% в верхней части склона и на 0,5-0,9% в нижней его части по сравнению с разбросным применением той же дозы азота. Солома (на фоне локального внесения азотного удобрения) снижала на 0,5% содержание сырого белка в зерне в приводораздельной части склона и на 0,3% в нижней его части.
6. Содержание сырого белка в зерне овса при выращивании на разных элементах склона в различных ротациях севооборота в зависимости от способа внесения азотных удобрений, %
Вариант опыта
Ротация севооборота
I
II
II
Приводоразделъная часть склона, 2-3"
Р50К50 - фон 9,7 5,0 7,5
Фон + ^N50 вразброс 11,3 6,9 9,4
Фон + ^N50 локально 12,9 7,7 10,8
Фон + ^N50 локально + солома, 2 т/га 12,4 - -
Нижняя часть склона, 5- 7°
Р5оК5о - фон 9,3 4,6 6,8
Фон + ^N50 вразброс 12,8 6,3 8,3
Фон + ^N50 локально 13,3 6,9 9,2
Фон + ^N50 локально + солома, 2 т/га 13,0 - -
Выводы. В условиях пятипольного севооборота на эродированной дерново-подзолистой среднесуглини-стой почве Центрального Нечерноземья овес лучше использовал азот, больше его закреплялось в почве и меньше терялось в приводораздельной части склона по сравнению с нижней его частью.
При локальном способе внесения азотных удобрений повышалась экологическая устойчивость агрофитоце-ноза, усиливалось потребление азота удобрения и азота почвы растениями, увеличивалась иммобилизация азота в почве и снижались в 1,1-3,1 раза газообразные его потери по сравнению с разбросным их применением на всех элементах склона в трех ротациях севооборота.
Наибольший урожай зерна овес формировал в приводораздельной части склона в третьей ротации севооборота при локальном внесении удобрений, а зерна с высоким содержанием сырого белка - в нижней части склона в засушливый период в первой ротации. При внесении соломы урожай зерна овса снижался на 411%, а содержание сырого белка - на 0,3-0,5%.
Литература
1. Завалин А.А., Соколов О.А. Потоки азота в агроэкосистеме: от идей Д.Н. Прянишникова до наших дней. - М.: ВНИИА, 2016,- 591 с.
2. Каштанов А.Н., Явтушенко В.Е. Агроэкология почв склонов. - М.: Колос, 1997.-239 с.
3. Корешков Д.А. Агроэкологические аспекты применения азотных удобрений. - М.: Колос, 1999,- 296 с.
4. Помазкина Л.В. Агрохимия азота в таежной зоне Прибайкалья. -Новосибирск: Наука, 1985.-176 с.
5. Соколов OA., Семенов В.М. Теория и практика рационального применения азотных удобрений. - М.: Наука, 1992,- 206 с.
6. Соколов О.А., Завалин А.А., Сычев В.Г., Шмырева Н.Я., Цуриков Л.Н. Потоки азота в агрофитоценозе на эродированных почвах. - М.: ВНИИА, 2016.-96 с.
7. Сычев В.Г., Соколов О.А., Завалин А.А., Шмырева Н.Я. Роль азота в интенсификации продукционного процесса сельскохозяйственных культур. Экологические аспекты роли азота в продукционном процессе. - М.: ВНИИА, 2012. - 322 с.
8. Турчин Ф.В. Использование азотных удобрений урожаем и их превращение в почве// Журн. ВХО. - 1965. - Т. 10. - №4,- С. 400-401.
9. Черников В.А., Соколов О.А. Экологически безопасная продукция. -М.: Колос, 2009.-С. 86-89.
10. Шмырева НЯ. Использование азота удобрений озимой рожью при различных способах внесения азотных удобрений в условиях эрозионного ландшафта // Агрохимия. - 2007. - №10. - С. 44-49.
11. Шмырева Н.Я., Цуриков Л.Н., Макаров Н.Б., Прохин Л.В., Маса-кова Л.И. Оценка использования азота удобрений в эрозионном ландшафте с помощью 15N // Плодородие. - 2008. - №4. - С.41-43.
12. Шмырева Н.Я., Соколов О.А., Цуриков Л.Н. Использование азота удобрений овсом при различных способах внесения азотного удобрения в эрозионном ландшафте // Плодородие. - 2015. - №1. -С.40-42.
13. Шмырева Н.Я., Соколов О.А., Завалин А.А. Потоки азота в эрозионном агроландшафте при выращивании овса в третьей ротации севооборота (исследования с использованием 15N) // Плодородие. -2017,-№4,- С.50-52.
14. Fried М., Dean L. Concerning the measurement of available soil nutrients Soil Sci., 1952. v. 13, №4, p.263-271.
FLUXES AND BALANCE OF NITROGEN FROM FERTILIZERS AND SOIL UNDER CONDITIONS OF CROP ROTATION
ON ERODED SODDY-PODZOLIC SOIL (15N STUDY):
COMMUNICATION2. OATS
N. Ya Shmyreva, A A Zavalin, O.A Sokolov PryanishnikovInstitute ofAgrochemistry, Pryanishnikova ul 3IA, 127550Moscow, Russia
It was shown that oats on sod-podzolic soil better (in 1.3-1.6 times) used nitrogen, more than in 1.1-1.6 times higher fixed nitrogen in soil and in 1.2-2.7 times less quantity of nitrogen was lost in the driveline compared to the lower part of slope. With the local method of applying nitrogen fertilizers, the ecological stability of agrophytocenosis increased, nitrogen consumption by plants increased, and nitrogen immobilization increased in the soil, and gaseous nitrogen losses decreased 1.1-3.1 times as compared with the diffuse method of application. The greatest grain yield of oats was formed in the near-watershed part of the slope in the third rotation of the crop rotation with the localization of nitrogen fertilizers. Straw reduced the grainyield of oats by 4-ll%and the content of raw protein by 0.3-0.5%. Keywords: 13N, crop rotation, fluxes and balance of nitrogen, erosion, slope elements, immobilization, gaseous losses.
