ПОТОКИ И БАЛАНС АЗОТА УДОБРЕНИЯ И АЗОТА ПОЧВЫ В УСЛОВИЯХ СЕВООБОРОТА НА ЭРОДИРОВАННОЙ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЕ (ИССЛЕДОВАНИЯ С 15N) СООБЩЕНИЕ 3. ЯЧМЕНЬ Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

АГРОЭКОЛОГИЯ

УДК 631.811.1:633.16:632.125

ПОТОКИ И БАЛАНС АЗОТА УДОБРЕНИЯ И АЗОТА ПОЧВЫ

В УСЛОВИЯХ СЕВООБОРОТА НА ЭРОДИРОВАННОЙ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЕ (ИССЛЕДОВАНИЯ С 15N)

Сообщение 3. Ячмень

Н.Я. Шмырева, к.б.н.,А.А. Завалин, акад. РАН, O.A. Соколов, д.б.н., ВНИИА Работа выполнена по госзаданию JVs 0572-2019-0013

Показано, что в условиях пятипольного севооборота с применением азотного удобрения (меченого 15NJ ячмень лучше потреблял азот (удобрения и почвы), его больше закреплялось в почве и меньше терялось на приводораз-дельной части склона по сравнению с нижней его частью. При локальном способе применения азотного удобрения повышалась экологическая устойчивость агрофитоценоза ячменя, усиливалось в 1,5-3 раза потребление растениями азота удобрения и в 1,1-1,4 раза азота почвы, увеличивалась в 1,2-1,6 раза иммобилизация азота удобрения в почве и снижались в 1,1-1,6 раза газообразные его потери по сравнению с разбросным их внесением на всех элементах склона. Максимальный урожай зерна с наиболее высоким содержанием сырого белка ячмень формировал на приводораздельной части склона в первой ротации севооборота при локальном применении азотного удобрения. С повышением ГТК до 2,0 продуктивность ячменя и содержание сырого белка в зерне снижались.

Ключевые слова: изотоп азота 15N, севооборот, элементы рельефа, потоки и баланс азота, эрозия, устойчивость, качество урожая.

Б01: 10.25680/819948603.2019.108.15

В условиях почвозащитного севооборота на дерново-подзолистой почве склона (среднее содержание подвижных форм фосфора и калия) ячмень формировал урожай зерна 30 ц/га при внесении полного минерального удобрения [3]. Под действием водной эрозии продуктивность ячменя снижается на 16-20% [1]. В условиях эродированных почв существенно уменьшается эффективность минеральных удобрений вследствие значительных потерь элементов питания (в первую очередь азота) [5-7]. Наибольшую опасность представляет поверхностный сток, который загрязняет поверхностные воды. Остается нерешенным также вопрос поведения азота в агрофитоценозе при выращивании ячменя на эродированных почвах при длительном применении минеральных удобрений в условиях севооборота.

Цель исследований - определить изменения направленности потоков азота в агрофитоценозе ячменя в условиях трех ротаций севооборота на дерново-подзолистой эродированной почве склона в зависимости от способа применения азотного удобрения.

Методика. Исследования начали проводить в 2013 г. В первой ротации севооборота год вегетации ячменя был благоприятным - ГТК составил 1,6, запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы - 140 мм в приводораздельной части склона и 130 мм в нижней части склона. Во второй ротации севооборота при выращивании ячменя ГТК составил 1,69 (при корме 1,75). Температура воздуха и количество выпавших осадков оказались в 1,1 раза выше по сравнению со среднемно-голетними. В третьей ротации ГТК (2013 г.) за период вегетации ячменя составил 2,0, количество выпавших осадков было в 1,1 раза выше, а температура воздуха в 1,1 раза ниже по сравнению со среднемноголетними.

Методика приведена в ж. «Плодородие», № 1 (2019 г.), на стр.47.

Результаты и их обсуждения. Потребление ячменем азота удобрения и азота почвы уменьшалось от приводораздельной части склона к его основанию в условиях дерново-подзолистой почвы (табл. 1).

Ячмень расходовал наибольшее количество азота в первой ротации севооборота за счет лучшего использования азота почвы, тогда как азот удобрения растения больше использовали во второй ротации. С увеличением или уменьшением влажности почвы потребление азота удобрения ячменем снижалось [8-10]. В третьей (более влажной) ротации севооборота потребление азота удобрения растениями снизилось в 1,6-2 раза по сравнению со второй ротацией, а азота почвы - увеличилось.

При локальном внесении азотного удобрения ячмень потреблял большее количество азота удобрения и азота почвы во все ротации на всех элементах склона. Так, в верхней части склона при локальном применение удобрений растения потребляли больше в 1,5-2 раза азота удобрения и в 1,2-1,4 раза азота почвы, тогда как в нижней части склона - в 2-3 ив 1,1-1,4 раза соответственно. Локализация удобрений обеспечивала лучшее потребление ячменем «экстра»-азота почвы в 1,3-4 раза на приводораздельной части склона и в 1,2-1,8 раза в нижней его части.

При выращивании ячменя на равнинных участках (полях) растения используют 34-45% азота удобрения, 5-59 иммобилизуется в почве и 25-35% теряется в виде газообразных соединений [2, 7]. На склоне наибольшее количество азота удобрения (36% применяемой дозы) растения использовали в третьей ротации севооборота при локальном внесении азотного удобрения (табл. 2). Наименьшее количество азота удобрения (7%) растения потребляли во второй ротации при разбросном применении азотных удобрений.

1. Потребление азота удобрения и азота почвы ячменем в зависимости от элемента рельефа и способа внесения _азотного удобрения в трех ротациях севооборота

Вариант опыта

Общий вынос азота, г/м2

В том числе азот

удобрений

г/м

г/м

«Экстра»-азот

г/м2

I ротация

Р5оК50 (фон)

Фон + N50 вразброс

Фон + N50 локально

Приводоразделъная часть склона, 2-3"

4,69

7,36

12,32

0,73

1,50

10

12

Нижняя часть склона, 5- 7°

4,69

6,63

10,82

100

90

1,94

6,13

26

50

Р50К50 (фон) 3,33 - - 3,33 100 - -

Фон + ^N50 вразброс 5,24 0,50 10 4,74 90 1,41 27

Фон + ^N50 локально 7,91 1,00 13 6,91 87 3,58 45

II ротация

Приводораздельная часть склона, 2-3"

Р5оК5о (фон) 3,35 - - 3,35 100 - -

Фон + ^N50 вразброс 7,44 1,88 25 5,56 75 2,21 30

Фон + ^N50 локально 10,34 2,80 27 4,54 73 4,19 41

Нижняя часть склона, 5- 7°

Р50К50 (фон) 1,82 - - 1,82 100 - -

Фон + ^N50 вразброс 5,03 1,45 29 3,58 71 1,76 35

Фон + ^N50 локально 6,70 1,95 29 4,75 71 2,93 44

III ротация

Приводораздельная часть склона, 2-3'

Р50К50 (фон) 3,42 - - 3,42 100 - -

Фон + ^N50 вразброс 6,61 0,95 14 5,66 86 2,24 34

Фон + ^N50 локально 10,03 1,70 17 8,33 83 4,91 49

Нижняя часть склона, 5- 7°

Р50К50 (фон) 2,32 - - 2,32 100 - -

Фон + ^N50 вразброс 4,85 0,70 14 4,15 86 1,83 38

Фон + ^N50 локально 6,77 1,20 18 5,57 82 3,25 48

Азотные удобрения, внесенные локально, стимулируют минерализацию и иммобилизацию азота в почве одновременно (с разной скоростью), вследствие чего сужается отношение углерода к азоту [6, 11, 12]. В результате растения лучше используют азот удобрения и азот почвы, его больше иммобилизуется и меньше теряется, не загрязняя окружающую среду [7, 14].

Наибольшее количество азота удобрения (72%) теря-

лось при выращивании ячменя в первой ротации севооборота на нижней части склона, что связано с темпе-ратурно-влажностным режимом почвы и составом микробиоценоза [4, 7]. Наименьшее количество азота удобрения (32%) терялось при выращивании ячменя на при-водораздельной части склона при локальном внесении азотного удобрения во второй ротации севооборота (см. табл. 2).

2. Потоки и баланс азота удобрения при выращивании ячменя на различных элементах

Вариант опыта Использовано растениями Иммобилизовано в слое почвы 0-100 см Потери

1 | 2 1 | 2 1 | 2

I ротация

Фон + ^N50 вразброс 0,73 15 0,50 10 1,46 29 0,90 18 2,82 56 3,60 72

Фон + ^N50 локально 1,50 30 1,00 20 1,80 36 1,40 28 1,70 34 2,60 52

II ротация

Фон + ^N50 вразброс 1,88 38 1,45 29 1,05 21 0,95 19 2,35 47 2,75 55

Фон + ^N50 локально 2,80 56 1,95 39 1,45 29 1.10 22 1,60 32 2,55 51

III ротация

Фон + ^N50 вразброс 0,95 19 0,70 14 1,34 27 0,85 17 2,71 54 3,45 69

Фон + ^N50 локально 1,70 34 1,20 24 1,60 32 1,25 25 1,70 34 2,55 51

Примечание. 1 - приводораздельная часть склона, 2-3 , 2 - нижняя часть склона, 5-7 . Над чертой - азот удобрения, г/м2, под чертой - азот удобрения, % от внесенного.

В зависимости от рельефа местности изменяются потоки азота удобрения: использование его растениями снижается в 1,3-1,5 раза при разбросном способе применения удобрений и в 1,3-2 раза при локальном способе от приводораздельной части склона к тальвегу. Иммобилизация азота удобрения также уменьшается в 1,11,6 и в 1,3-1,4 раза соответственно, тогда как газообразные потери возрастают в 1,2-1,3 и в 1,5-1,6 раза соответственно.

Локальное внесение азотного удобрения снижало газообразные потери азота удобрения в 1,5-1,6 и в 1,1-1,4 раза в сравнении с разбросным способом их применения.

Применение метода изотопной индикации 1 ^Ы позволило определить интенсивность процессов внутрипоч-венного цикла азота [7, 8]. Наиболее выражены процессы минерализации (М) азота почвы при разбросном способе внесения азотного удобрения (табл.3). Размеры

нетто-минерализации (Н-М) (% от общей минерализации) свидетельствуют также о степени минерализации в почве [11]. При выращивании ячменя доля нетто-минерализации возрастала от приводораздельной части к основанию склона (72-83% по сравнению с 66-73% в верхней части склона). Локализация азотного удобрения снижала долю Н-М на всех элементах склона. Ре-иммобилизация (РИ) азота протекала с наименьшей скоростью при разбросном применении азотного удобрения в нижней части склона.

3. Потоки азота почвы и азота удобрения при выращивании ячменя на различных элементах склона в зависимости от способа

Приводораз- Нижняя

Показатель дельная часть склона, 2-3° часть склона, 5-7°

1 2 1 2

Вынос азота почвы растениями 6,63 11,42 4,74 6,91

Остаточный минеральный азот 1,84 3,08 0,66 0,99

Иммобилизованный/ 13,17 12,98 8,53 9,67

реиммобилизованный азот почвы

Газообразные потери азота почвы 25,61 12,26 34,05 17,89

Минерализованный азот почвы (М) 52,25 44,14 53,07 40,54

Нетто-минерализованный азот (Н-М) 37,73 29,36 43,64 29,47

Реиммобилизованный азот (РИ) 14,60 14,80 9,40 11,10

Использованный азот удобрения растениями 0,73 1,50 0,50 1,00

Иммобилизованный азот удобрения 1,45 1,80 0,90 1,40

Газообразные потери азота удобрения 2,82 1,70 3,60 2,60

раза азота больше, чем на приводоразделе. Локализация азотного удобрения снижала в 2 раза газообразные потери азота на всех элементах склона.

По показателям интегральной оценки (рециркуляция, отношение минерализации к реиммобилизации) функционирования системы агрофитоценоз ячменя на приводораздельной части склона и при локальном применении азотного удобрения находился в наиболее устойчивом состоянии (зона стресса) по сравнению с разбросным способом (зона резистентности) (табл.4). В нижней части склона агрофитоценоз ячменя был в менее устойчивом состоянии (зона резистентности) при обоих способах внесения азотного удобрения. В условиях севооборота агрофитоценоз ячменя находился в менее устойчивом состоянии, чем другие зерновые культуры (озимая рожь, овес) [7].

4. Показатели интегральной оценки функционирования агрофи-тоценоза при выращивании ячменя на различных элементах

Элемент склона Способ внесения азотного удобрения РИ:М, % Н-М:РИ

Приводораздельная часть склона, 2-3° Вразброс 28 2,7

Локально 34 2,0

Нижняя часть склона, 5-7° Вразброс 17 5,0

Локально 27 2,8

Примечание. 1 - азот вразброс, 2 - азот локально.

Складывающиеся условия минерализации почвенного азота (денитрификация нитрификация) существенно влияли на образование газообразных азотистых соединений. В нижней части склона терялось в 1,4-1,5

Продуктивность ячменя в севообороте зависела от погодных условий и от пищевого режима почвы различных элементов склона (табл.5). По мере увеличения влажности (вторая и третья ротации) урожай зерна и соломы ячменя снижался в 1,1-1,7 раза. Продуктивность растений также уменьшалась в 1,4 раза от приводораздельной части склона к его основанию.

5. Продуктивность ячменя при выращивании на различных элементах рельефа и в зависимости от способа

Вариант опыта Зерно, г/м2 Прибавка Солома, г/м2 Прибавка

г/м2 1 % г/м2 1 %

I ротация

Приводораздельная часть склона, 2-3"

Р5оК5о (фон) 240 - - 396 - -

Фон + ^N50 вразброс 330 90 38 552 156 39

Фон + ^N50 локально 457 217 90 731 335 85

Нижняя часть склона, 5- 7°

Р50К50 (фон) 225 - - 256 - -

Фон + ^N50 вразброс 305 80 36 366 110 43

Фон + ^N50 локально 386 161 72 540 284 111

II ротация

Приводораздельная часть склона, 2-3"

Р50К50 (фон) 190 - - 228 - -

Фон + ^N50 вразброс 389 199 95 467 239 105

Фон + ^N50 локально 460 270 131 552 324 142

Нижняя часть склона, 5- 7°

Р50К50 (фон) 115 - - 139 - -

Фон + ^N50 вразброс 234 119 103 281 142 102

Фон + ^N50 локально 297 182 158 369 230 165

III ротация

Приводораздельная часть склона, 2-3"

Р50К50 (фон) 184 - - 226 - -

Фон + ^N50 вразброс 301 117 64 408 182 80

Фон + ^N50 локально 411 227 123 660 374 165

Нижняя часть склона, 5- 7°

Р50К50 (фон) 131 - - 171 - -

Фон + ^N50 вразброс 238 107 82 343 172 101

Фон + ^N50 локально 301 170 130 449 278 162

Р, % 2-3 2-3

НСРо,5, г/м2: част. ср. 8-28 12-30

рельеф 5-16 6-21

удобрений 5-20 7-17

Азотное удобрение, внесенное вразброс, повышало урожай зерна ячменя на 36-103% по отношению к фону. Азотное удобрение, внесенное локально, увеличивало урожай зерна в 1,2-1,4 раза на приводораздельной части склона и в 1,3-1,4 раза в нижней его части по сравнению с азотным удобрением, внесенным вразброс. Урожай соломы ячменя при локальном применении азотного удобрения увеличивался в 1,4-1,8 раза на приводораздельной части склона и в 1,5-1,6 раза в нижней части склона.

Зерно с наиболее высоким содержанием сырого белка ячмень формировал при локальном внесении азотного удобрения в первой ротации севооборота на приводораздельной части склона (табл.6). Содержание сырого белка в зерне снижается в нижней части склона по сравнению с приводораздельной при обоих способах применения азотного удобрения. В третьей ротации севооборота (более влажной) содержание сырого белка в зерне уменьшалось на 0,1-0,9% по сравнению со второй ротацией.

6. Содержание сырого белка в зерне ячменя при выращивании на различных элементах рельефа в зависимости от способа внесения _азотного удобрения, % на сухое вещество

Вариант опыта

Ротация севооборота

I

II

III

Приводоразделъная часть склона, 2-3"

P50K50 (фон) 7,8 7,9 7,3

Фон + 15N50 вразброс 8,7 8,6 8,0

Фон + 15N50 локально 10,3 8,9 8,8

Нижняя часть склона, 5- 7°

Р5оК5о (фон) 6,1 6,1 6,8

Фон + 15N50 вразброс 7,1 7,8 7,2

Фон + 15N50 локально 8,5 8,4 7,5

Азотное удобрение, внесенное локально, повышало содержание сырого белка в зерне на 1,0-2,5% на приводораздельной части склона и на 0,7-2,4% в нижней части склона по сравнению с фоном.

Выводы. Ячмень в условиях пятипольного севооборота на эродированной дерново-подзолистой средне-суглинистой почве Центрального Нечерноземья лучше потреблял азот, больше его закреплялось в почве и меньше терялось в приводораздельной части склона по сравнению с нижней его частью.

При локальном способе применения азотного удобрения повышалась экологическая устойчивость агрофи-тоценоза ячменя, усиливалось в 1,5-3 раза потребление растениями азота удобрения ив 1,1-1,4 азота почвы, увеличивалась в 1,2-1,6 раза иммобилизация азота удобрения в почве и снижались в 1,1-1,6 раза газообразные его потери по сравнению с разбросным их внесением на всех элементах склона.

Максимальный урожай зерна с наиболее высоким содержанием сырого белка ячмень формировал на приводораздельной части склона в первой ротации севооборота при локальном применении азотного удобрения. С повышением ГТК до 2,0 продуктивность ячменя и содержание сырого белка в зерне снижались.

Литература

1. Жилко В.В., Жукова И.И., Черныш А.Ф., Цыбулько Н.Н. Тищук Л.А. Потери гумуса и макроэлементов, вызываемые водной эрозией из дерново-палево-подзолистых почвах Белоруссии //Агрохимия,- 1999,-№10,- С. 41-46.

2. Завалин А.А., Соколов О.А. Потоки азота в агроэкосистеме: от идей Д.Н. Прянишникова до наших дней,- М.: ВНИИА, 2016,- 591 с.

3. Каштанов А.Н., Евтушенко В.Е. Агроэкология почв склонов. -М.: Колос, 1997.-239 с.

4. Кутузова Р.С., Сирота Л.Б., Орлова О.В., Воробьев Н.И. Микробное сообщество и анализ почвенно-микробиологических процессов в дерново-подзолистой почве //Почвоведение. -2001,- №3,- С. 320-332.

5. Кореньков Д.А. Агроэкологические аспекты применения азотных удобрений. -М.: Колос, 1999.-296 с.

6. Соколов О.А., Семенов В.М. Теория и практика рационального применения азотных удобрений. -М.: Наука, 1992.-207 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. - Т.2. - 272 с.

8. Шмырева Н.Я., Соколов О.А., Цуриков Л.Н. Использование азота удобрений ячменем при различных способах внесения азотных удобрений в условиях эрозионного ландшафта // Плодородие. -2012,- №4,- С.30-33.

9. Шмырева Н.Я., Соколов О.А., Завалин А.А., Литвинский В.А. Баланс азота удобрений при выращивании различных сортов ячменя на склоне // Плодородие. - 2014,- №4,- С.9-11.

10. Шмырева Н.Я., Соколов О.А., Завалин А.А., Литвинский В.А. Использование азота удобрений ячменем при различных способах внесения азотного удобрения в условиях эрозионного ландшафта (Ш ротация) // Плодородие,- 2017. - №1.- С. 54-56.

11. Crews Т.Е., Peoples М.В. Can the synchrony of nitrogen supply and crop demand be impoved in legume and fertilizer agroecosys-tems. Nutrient Cyclyng in Agroecosystems. 2005, v. 72. P. 101-120.

12. Glendining M.J., Paulton P.R., Powlgon D.S. Availability of the residual Nitrogen from a single application of 15N - labeled fertilizer to subsequent crops in a long - term continuous barley experiment. Plantand Soil., 2001. v.233. №2. P. 231-239.

13. Jnselsbacher E., Wanek W., Strauss J. A novel 15N tracer model reveals: Plant nitrate governs nitrogen transformation rates in agricultural soils. Soil Biol. Biochem., 2013, v. 57, P. 301-310.

14. Kleinebecker Т., Holzel N., Prati D. Evedence from the real world : 15N natural abundances reveal enhanced nitrogen use at high plantdiversity in Central European grassland. J. Ecology. 2014. v. 102. P.456-465.

FLOWS AND BALANCE OF FERTILIZER AND SOIL NITROGEN UNDER CONDITIONS OF CROP ROTATION ON

ERODATED SOD-PODZOLIC SOIL (RESEARCH WITH 15N) Communication 3. Barley

N. Ya Shmireva, A A Zavalin, O.A Sokolov PryanishnikovInstitute of Agrochemistry, Pryanishnikova ul 31A, 127434 Moscow, Russia

As our study shown under conditions of a five-field crop rotation using nitrogen fertilizer (labeled with 15N), barley consumed nitrogen better (fertilizer and soil), it was more fixated in the soil and was less lost on the bottom part of the slope. With the local method of applying nitrogen fertilizer, the ecological stability of agrophytocenosis of barley increased, the consumption of nitrogen fertilizer by plants increased by 1.5-3 times and the soil nitrogen content 1.1-1.4 times increased, the immobilization of nitrogen fertilizer increased 1.2-1.6 times in the soil, its gaseous losses decreased 1.1-1.6 times as compared with their spreading on all elements of the slope. The maximum yield of grains with the highest crude protein content was barley formed on the watershed part of the slope in the first rotation of the crop rotation with the local application of nitrogen fertilizer. With an increase in the hydrothermal coefficient to 2.0, the productivity of barley and the content of crude protein in the grain decreased.

Keywords: nitrogen isotope 15N, crop rotation, relief elements, nitrogen flow and balance, erosion, resistance, yield quality.