CC BY
11УДК 631.801.1:631.47.56:631.442.4
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ АЗОТА УДОБРЕНИЙ В ОРГАНИЧЕСКОМ ВЕЩЕСТВЕ ЛУГОВО - ЧЕРНОЗЕМНОЙ МЕРЗЛОТНОЙ ПОЧВЫ
Л.В. Будажапов, к.б.н., Бурятская ГСХА
Статью рекомендовал к печати Байбеков Р.Ф., д.с.-х.н.
В лабораторных опытах с применением 15М представлена панорама распределения органического азота лугово-черноземной мерзлотной почвы и иммобилизованного азота удобрения по фракциям гумуса и изменение их содержания во времени с оценкой участия закрепленного азота в процессах синтеза и минерализации гумусовых соединений, в том числе и по кинетическим характеристикам.
Ключевые слова: иммобилизованный азот удобрений, фракции гумуса, лугово-черноземная мерзлотная почва.
Современное развитие представлений на трансформацию азота удобрений в почвах связано с особенностями качественного состава органического вещества. Значимость этих оценок для лугово-черноземных мерзлотных почв, на долю которых приходится основная часть пахотных угодий криолитозоны, представляет несомненную актуальность. Отсутствие достоверной информации по иммобилизации азота удобрения и дальнейшей его трансформации в составе гумусовых веществ не позволяет в полной мере оценить значимость азота удобрений в поддержании хрупкого плодородия мерзлотных почв с ярко выраженным криогенезом [1-6].
Цель работы - изучить динамику распределения иммобилизованного азота удобрений по фракциям органического вещества лугово-черноземной мерзлотной почвы.
Объекты и методы исследований. Исследования проводили путем инкубирования лугово-черноземной мерзлотной почвы с меченой по 15Ы солью сульфата аммония (исходное обогащение 58,7 ат. %) при 30°С и 60% от ПВ в течение 2, 5, 15, 30 и 60 дней, которую вносили в дозе 20 мг N на 100 г почвы по фону РК. По агрохимическим свойствам почва характеризовалась нейтральной реакцией среды, высоким содержанием гумуса и общего азота с доминированием в составе подвижного минерального азота обменного аммония с очень высокой вариабельностью нитратов при средней обеспеченности подвижным фосфором и обменным калием (табл.1). Фракционирование органического вещества почв проводили по И.В. Тюрину в модификации В.В. Пономаревой и Т.Н. Плотниковой [7] с определением во всех выделенных фракциях общего азота по Кьельдалю-Йдольбауэру и изотопного состава азота на масс-спектрометре (ВНИИА) после каждого срока инкубации.
Константы скорости (k) внутрипочвенных превращений иммобилизованного азота удобрений во фракциях гумуса лугово-черноземной мерзлотной почвы выведены по моделям экспоненциальной регрессии. Статистический анализ и математическое моделирование данных представлено с использованием пакета стандартных и прикладных программ Match CAD 2001 и SNEDECOR.
1. Статистические показатели агрохимических свойств почвы, 020 см (гумус и ^бщ. в %, N-NO3 и N-NH4 в мг/кг, Р2О5 и К2О в мг/100 г)
Результаты и их обсуждение. Фракционирование органического вещества почвы позволило установить, что во всех выделенных фракциях обнаружено присутствие азота. При этом, большая его часть представлена азотом гуминовых кислот (35-37%) и гуминов (32-33%) с минимальным содержанием в фульвокислотах (табл.2). В отличие от лугово-черноземных почв Западной Сибири [8] в мерзлотных аналогах Забайкалья характерно значительно меньшее содержание азота в гуминовых кислотах и большее - в негидролизуемом остатке, при близком - в фульвокислотах. Эти различия в содержании природного азота связаны с ярко выраженным мерзлотным характером лугово-черноземных почв Забайкалья. При этом, отношение №к : Nфк = 1,93-2,06 свидетельствовало о характерном распределении азота для почв гуматного типа. Аналогичное отношение азота в групповом составе гумуса выявлено в лугово-черноземных почвах Западной и Восточной Сибири, а также в черноземах европейской части России [3, 9].
Показатели M ± m lim G 1 M ± t0.95m V, %
рН водн 7,0±0,1 6,8-7,3 0,20 6,9 - 7,2 2,8
Гумус 6,71±0,02 6,64-8,11 1,14 6,7-7,2 17,0
№бщ 0,43±0,06 0,41-0,44 0,16 0,42-0,44 3,7
N-NO3 9,53±0,4 1,70-21,2 6,02 8,69-10,4 63,2
N-NH4 19,7±2,1 12,3-26,5 2,79 14,5-23,1 14,2
Р2О5 4,11±0,2 3,51-5,24 0,54 3,8-4,5 13,1
К2О 15,9±0,4 14,8-18,3 1,52 14,9-16,9 9,6
Примечание: M±m - средняя арифметическая и отклонение от средней: lim - пределы величин, о - стандартное отклонение, M±tm -доверительный интервал при уровне значимости 0,95, V -коэффициент варьирования
2. Содержание и динамика распределения азота по фракциям органического вещества лугово - черноземной мерзлотной почвы,
мг/100г
Дни N общ. Гуминовые кислоты Фульвокислоты НГ NEK N<JK
1 1 2 3 S 1а 1 2 3 S
2 441,5 5,3 126,3 33,6 165,1 21,2 23,0 8,4 30,0 82,6 139,5 1,99
5 434,2 11,3 114,2 34,3 159,8 20,0 23,4 9,1 24,7 77,3 136,8 2,06
15 440,2 21,1 106,1 33,0 160,2 16,7 28,6 10,1 26,9 82,3 145,7 1,95
30 437,5 26,7 98,9 35,9 161,5 10,9 33,7 8,3 29,8 82,7 138,3 1,95
60 438,1 25,4 93,8 34,6 153,8 7,9 35,9 6,1 29,8 79,7 138,3 1,93
Примечание: НСР05 (мг / 100 г) N общ. 9,16; фракции ГК: 1-5,03; 2-7,92; 3-3,28; фракции ФК: 1а-4,61; 1-5,04; 2-3,24; 3-6,31
В гуминовых кислотах основная доля азота почвы приходится на фракцию, представленную преимущественно гуматами кальция (2), где его содержание достигало 1/3 от общего азота при значительно меньшем его присутствии во фракциях, связанных с устойчивыми полуторными окислами (3) и свободных и рыхлосвязанных кислот (1). В фульвокислотах высокая насыщенность им наблюдалась во фракции 1, содержание в которой было выше аналогичной фракции гуминовых кислот и фр. декальцината (1а) при минимальном присутствии во фр., связанной в полимерном
комплексе с гуминовыми кислотами (2). Подобный характер распределения природного азота в гумусе в лугово-черноземных почвах Сибири.
Содержание почвенного азота во фракциях изменялось во времени. Его присутствие в составе свободных и рыхлосвязанных гуминовых кислот (фр. 1) существенно возрастало в течение первых 30 дней с константой скорости к = 0,399 в день и последующей стабилизацией. Подобная динамика указывает на наличие ближайшего резерва доступного органического азота в этой почве. Последнее
обеспечивалось минерализацией азота гуминовых кислот, преимущественно связанных с кальцием (фр. 2) с меньшей по модулю константой (к = 0.074 день "') и высокой подвижностью азота во фр. декальцината фульвокислот (1а), где его содержание достоверно снижалось с более высокой кинетикой к = 0,258 день -1 при сильной тесноте их связей (г = 0,94 ± 0,2). В результате, рост содержания органического азота в свободных и рыхлосвязанных гуминовых кислотах находился в сильной и обратной тесноте (г) с его снижением в гуматах кальция (г = - 0,94±0,2) и декальцината (г = - 0,88±0,3) при высокой сопряженности процессов в их обшей совокупности (К = 0,981). Последнее и отражало перераспределение азота почвы по фракции органического вещества. Возможности для этого проявления в почвах ранее отмечались в работах ряда авторов [2, 3, 8, 10]. В этой связи отметим увеличение содержания азота во фракции 1 фульвокислот при меньшей подвижности во фракции 1 свободных и рыхлосвязанных гуминовых кислот с вдвое ниже кинетикой - к = 0,126 в день.
Наибольшей устойчивостью почвенного азота характеризовались фракции гуминовых кислот и фульвокислот, связанных в комплексе с полуторными окислами и глинистыми минералами (3), где его содержание было стабильно во времени, а равно негидролизуемого остатка.
Отсюда, динамика распределения азота в органическом веществе лугово-черноземной мерзлотной почвы Забайкалья характеризуется увеличением его содержания в составе свободных и рыхлосвязанных гуминовых кислот и связанных
с ними фракцией 1 фульвокислот при снижении в составе гуматов кальция и декальцината с высокой устойчивостью в трудногидролизуемых их фракциях. Причем, кинетика (к) увеличения азота во фракциях гуминовых кислот превышала константу скорости его снижения, а в фульвокислотах, наоборот, константа снижения была выше увеличения. В результате высокая кинетика участия азота почвы в синтезе гуминовых кислот обеспечивала их доминирование в органическом веществе с формированием гуматного типа.
Внесение азота удобрения сопровождалось его закреплением органическим веществом почвы с различной величиной и динамикой его распределения по группам и фракциям (табл.3). Основная массовая доля иммобилизованного азота удобрения представлена фульвокислотами, содержание которого снижалось во времени и составило более 1/2 внесенного к последнему сроку фракционирования, а доля азота 15Ы в негидролизуемом остатке возросла до 17% при незначительном включении в состав гуминовых кислот. Схожий характер включения азота 15Ы удобрений в состав гумусовых веществ почв гуматного типа (чернозем выщелоченный, обыкновенный и южный) наблюдался при паровании в течение 30 и 120 дней [8] и черноземе типичном в модельных опытах [3, 10]. Активное включение азота удобрения в фульвокислоты вызвано тем, что эта группа представлена, в основном, гетеротрофной микрофлорой, которая наиболее активна и менее консервативна в отношении утилизации минерального азота [1, 3, 9, 10].
3. Содержание и динамика распределения азота N по фракциям органического вещества
Дни Гуминовые кислоты Фульвокислоты НГ Выход
1 2 3 £ 1а 1 2 3 £ %
2 0,28 1,4 - 0,10 0,5 0,38 1,9 14,2 71,0 20 10,0 0,50 2,5 0,26 1,3 16,96 84,8 1,42 7,1 93,8
5 0,16 0,8 - 0,07 0,36 0,23 1,16 11,4 57,0 2,64 13,2 0,26 1,3 0,12 0,6 14,42 72,1 1,84 9,2 82,5
15 0,70 3,5 0,06 0,3 0,14 0,7 0,90 4,5 10,0 50,2 2,82 14,1 0,50 2,5 0,10 0,5 13,46 67,3 2,90 14,5 86,3
30 0,88 4,4 0,02 0,1 0,18 0,91 1,08 5,41 8,52 42,6 3,14 15,7 0,42 2,1 0,30 1,5 12,38 61,9 3,36 16,8 84,1
60 0,94 4,7 - 0,19 0,95 1,13 5,65 7,04 35,2 3,38 16,9 0,46 2,3 0,34 1,7 11,22 56,1 3,42 17,1 78,9
Примечание: числитель - мг/100 г, знаменатель - % от внесенного N НСР05 (мг) фракции ГК: 1-0,145; 3-0,032; фракции ФК: 1а-2,51; 1-0,309;2-0,182; 3-0,115
Результаты изотопного состава азота во фракциях позволили установить, что содержание и динамика иммобилизованного азота по величине и направленности процессов трансформации складывалась различно. Наибольшая часть иммобилизованного органическим веществом лугово-черноземной мерзлотной почвы азота удобрения обнаружена во фракции декальцината (1а), где его содержание уже на второй день составило 71% от внесенного, характеризуя очень высокие темпы закрепления. Схожая высокая иммобилизация азота во фракции декальцината наблюдалась и в дерново-подзолистой песчаной почве (76,5%) и черноземе типичном (81% внесенного) в лабораторных [3, 10] и дерново-подзолистой почве [9,10] в микрополевых опытах. Отсюда, азот удобрений в первые дни закрепляется в наиболее легкогидролизуемой части фульвокислот. Однако, подобное очень скоротечно и через 60 дней его содержание снизилось вдвое, составляя 35%. Последнее указывает на развитие интенсивных процессов минерализации иммобилизованного азота, особенно в течение 30 дней. Эти изменения не стали исключением из признанных закономерностей для почв европейской части [3,9,10] и Западной Сибири [2, 8]. Причем, различия наблюдались лишь в размерах минерализации и кинетике (к) этого процесса. Последняя, судя по величине констант (к), в лугово-черноземной мерзлотной почве Забайкалья была значительно ниже (к = 0,169 день -1), чем в черноземах европейской части (к = 0,872 день -1) и Западной Сибири (к = 0,484 день -1). Как
следствие, скоростные параметры процессов минерализации иммобилизованного азота в мерзлотных почвах оказались значительно слабее, что связано, в основном, с их жесткими режимными процессами.
Одновременно во фракции 1 фульвокислот наблюдались процессы синтеза с участием азота удобрения, на что указывает увеличение его содержания от первого (10%) к последнему сроку (16,9%) с кинетикой (к = 0,122 в день) значительно ниже (по модулю) минерализация иммобилизованного азота во фракции декальцината. Причем, сопряженность этих процессов находилась в очень высокой и обратной тесноте связей - г = -0,99±0,08. Следовательно, для динамики иммобилизованного азота удобрения в группе фульвокислот характерно наличие двух процессов внутрипочвенной его трансформации - реминерализация и участие в их синтезе при сильной тесноте и устойчиво низком присутствии в составе трудногидролизуемых фракций.
Что касается включения азота удобрения в состав гуминовых кислот почвы, то наибольшая его величина приходилась на свободные и рыхлосвязанные формы (фр. 1), динамика которого отличалась устойчивым увеличением содержания до 4,7%. В этой оценке обращает внимание отсутствие и незначительное включение азота удобрения во фракцию 2 гуминовых кислот, что вызвано, его разбавлением почвенным азотом, где содержание последнего в этой фракции было наибольшим и достигало 29% (см. табл.2).
Содержание иммобилизованного азота 15N в трудногидролизуемых фракциях (3) минимальное и не превышало 1% от внесенного. Как следствие, азот удобрений отличался значительно меньшими размерами иммобилизации во фракциях гуминовых кислот, но участвовал в процессах синтеза различных по прочности этих веществ. Причем, кинетика его участия в формировании свободных и рыхлосвязанных гуминовых кислот (k = 0,413 в день) оказалась выше кинетики трудногидролизуемых их форм (k = 0,223 в день), каждая из которых по величине констант была выше синтеза фракции 1 фульвокислот с его участием. В результате, высокая кинетика участия иммобилизованного азота в синтезе гуминовых кислот лугово-черноземной мерзлотной почвы и обеспечивала их доминирование в органическом ее веществе, определяя ярко выраженный гуматный тип гумусного состояния.
Последнее обеспечивалось перераспределением иммобилизованного азота из фракции декальцината (1а) фульвокислот, где процессы минерализации протекли наиболее интенсивно как по величине, так и кинетике. Это подтвердилось и корреляционной оценкой. Сопряженность процессов минерализации иммобилизованного азота 15N из декальцината фульвокислот с участием в синтезе свободных и рыхлосвязанных гуминовых кислот (г = - 0,87±0,2) и трудногидролизуемых их форм (г = -0,82±0,3) была высокой с обратным характером при общей сильной их тесноте (R = 0,894).
Высокая степень обогащения азотом 15N удобрения наблюдалась в группе гуминов, которая характеризовала активное его участие в процессах синтеза негидролизуемых форм гумусовых соединений почвы с константой скорости включения (k = 0,236 в день), уступающей в этой оценке лишь
константе синтеза свободных и рыхлосвязанных гуминовых кислот.
Таким образом, в лугово-черноземных мерзлотных почвах азот удобрений распределяется со значительной концентрацией в легкогидролизуемой части фульвокислот при высоком обогащении негидролизуемого остатка. Для динамики иммобилизованного азота удобрений характерно одновременное функционирование в почве различных по величине, направленности и скорости его превращений с преобладанием процессов минерализации азота легкогидролизуемых фракций фульвокислот и синтезом свободных и рыхлосвязанных гуминовых кислот при высокой их сопряженности в общей совокупности.
Литература
1. Орлов Д.С. Химия почв. М: МГУ. 1985, 376 с. 2. Гамзиков Г.П. Агрохимия азота лугово - черноземных почв Сибири // Почвоведение. №1. 2004. С. 82 - 91. 3. Руделев Е.В. Минерализация - иммобилизация азота в основных типах почв России и эффективность азотных удобрений: автореф. дис. ...д- ра биол. наук. М., 1992. 34 с. 4. Куликов А. И. Дугаров В.И., Корсунов В.М. Мерзлотные почвы: экология, теплоэнергетика и прогноз продуктивности. Улан - Удэ: БНЦ СО РАН,
1997. 312 с. 5. Гамзиков Г.П., Мангатаев Ц.Д., Пигарева Н.Н. Плодородие лугово - черноземных мерзлотных почв. Новосибирск: Наука, Сиб отд - ние,1991, 133 с. 6. Пигарева Н.Н. Азотный фонд мерзлотных почв Бурятии // Агрохимия. №»11.1998.С.12 - 20. 7. Орлов Д.С., Л.А. Гришина. Практикум по химии гумуса. М., 1981. 270 с. 8. Гамзиков Г.П., Кострик Г.И., Емельянова Е.Н. Баланс и превращение азота удобрений. Новосибирск: Наука, Сиб. отд -ние,1985, 160 с. 9. Лаврова И.А. Превращение азота удобрений в системе почва - растение и повышение их эффективности: автореф. дис....д-ра биол.наук. М., 1992. 36 с. 10. Руделев Е.В. Динамика трансформации иммобилизованного азота // Почвоведение. №7.1982. С. 120 - 125.
Distribution of Fertilizer Nitrogen in the Organic Matter of Cryogenic Meadow-Chernozemic Soil
L. V. Budazhapov
Buryat State Agricultural Academy, ul. Pushkina 8, Ulan - Ude, 670024 Russia, E-mail: [email protected] Summary. The distribution of organic nitrogen and immobilized fertilizer nitrogen among the humus fractions of cryogenic meadow-chernozemic soil and changes in their content with time were assessed in laboratory experiments using the 15N tracer, and the involvement of immobilized nitrogen into the synthesis and mineralization of humic compounds was estimated, including on the basis of kinetic parameters.
Key words: immobilized fertilizer nitrogen, humus fractions, cryogenic meadow-chernozemic soil
