CC BY
35
Известия ТСХА, выпуск 3, 2008 год
УДК 631.46:631.51:631.461
ВЛИЯНИЕ РЫХЛЕНИЯ И АЭРАЦИИ ПОЧВЫ РАЗНЫХ ГОРИЗОНТОВ НА ЕЕ БИОЛОГИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ, АММОНИФИКАЦИЮ
И ДЕНИТРИФИКАЦИЮ
В.В. КИДИН, д. б. н.; В.В. ЗЕНКИНА
(Кафедра агрохимии)
В серии модельных опытов с дерново-подзолистой среднесуглинистой почвой, взятой с горизонтов Ал, А2В и В, изучали влияние рыхления почвы при разных режимах аэрации на интенсивность почвенного дыхания, нитрификации и денитрификации. Установлено существенное влияние механического перемешивания почвы пахотного и подпахотных горизонтов на интенсивность продуцирования С02, трансформацию аммонийного и нитратного азота в аэробных и анаэробных условиях.
Опыт мирового и отечественного земледелия убедительно свидетельствует о том, что интенсификация с.-х. производства в значительной степени обуславливается целенаправленной химизацией и, прежде всего, уровнем применения азотных удобрений. Проблема азота в земледелии России является одной из центральных не только в связи с первостепенной его ролью в питании растений, повышении урожайности и качества с.-х. культур, но и вследствие широкого спектра негативного воздействия продуктов трансформации азотных удобрений на окружающую среду. Рациональное применение экономически оправданных и экологически допустимых доз азотных удобрений наряду с улучшением агротехники, повышением общего уровня культуры землепользования играет определяющую роль в сохранении плодородия почв и получении высококачественной продукции. Успешное решение проблемы оптимизации азотного питания растений с учетом эффективного использования природных запасов азота, поддержания (сохранения) плодородия почв и уменьшения
негативных последствий применения удобрений возможно лишь на основе комплексного подхода к изучению процессов трансформации азота во внут-рипочвенном цикле и агроценозе в целом, а также количественной оценке направленности процессов в конкретных почвенно-климатических условиях.
Исследования, проведенные в предыдущие годы с 15Й [4, 6], позволили существенно расширить и углубить представления о путях превращения азота удобрений в системе «почва — растение — окружающая среда». Однако, несмотря на значительные успехи в изучении использования растениями азота удобрений и особенностей его баланса в разных почвенно-климатических зонах, до сих пор остаются практически неизученными процессы трансформации аммонийного и нитратного азота в нижних горизонтах кор-необитаемого слоя почвы. Слабо изучена также микробиологическая активность почвы этих горизонтов. Отсутствуют какие-либо достоверные сведения о долевом участии микрофлоры отдельных слоев почвы в потерях азо-
та в результате денитрификации при инфильтрации нитратов в нижележащие горизонты почвенного профиля.
Исследованиями, проведенными в разных регионах страны, установлено, что инфильтрация нитратов в нижние горизонты почвы далеко не всегда приводит к заметным потерям азота. По данным [5] при непромывном водном режиме почвы значительная часть нитратов продолжительное время может сохраняться в нижних горизонтах почвы и со временем использоваться растениями.
Выявление закономерностей превращения аммонийного и нитратного азота в почве в зависимости от его пространственного расположения в корнеобитаемом слое имеет важное значение как в теоретическом, так и практическом аспектах, поскольку дает возможность повысить надежность почвенной диагностики азотного питания растений на основе дифференцированного (послойного) учета содержания разных форм минерального азота.
В этой связи задачей настоящей работы было изучение с помощью стабильного изотопа 16Ы особенностей трансформации аммонийного и нитратного азота в почве отдельных горизонтов с ненарушенной структурой и влияния рыхления почвы на интенсивность нитрификации, денитрификации и продуцирования С02 (биологическую активность почвы) при разных условиях аэрации.
Методика
Исследования проводили в серии модельных опытов на кафедре агрономической и биологической химии РГАУ — МСХА. Объектом исследова-
ний служила дерново-подзолистая сред-несуглинистая почва, взятая с 3 генетических горизонтов длительного стационарного опыта экспериментальной базы «Михайловское» Московской обл. (таблица).
Для отбора образцов почвы с ненарушенной структурой использовали бур-пробоотборник с разъемным титановым цилиндром, который практически не вызывает деформацию почвы при отборе. Диаметр и высота цилиндра пробоотборника составляли 10 см, объем — 785 см3. Почву пахотного горизонта (Ап) отбирали с глубины 1020 см, с подпахотных горизонтов А2В и В соответственно с глубины 30-40 и 60-70 см. Перед взятием почвенных образцов верхний слой почвы снимали на площади 2 м2 до соответствующей глубины взятия. С целью сохранения естественного агрегатного состояния почвенных образцов во время транспортировки каждый образец (керн) помещали в эластичную капроновую сетку соответствующего размера, а затем упаковывали в картонные коробки. Опыты проводили в цилиндрических стеклянных герметичных сосудах емкостью 1 л, снабженных устройством для отбора аналитических проб газа и полной смены атмосферы сосудов. В каждый сосуд помещали образец почвы (керн) в капроновой сетке, которая предохраняла его от разрушения во время компостирования. Аммонийный и нитратный азот вносили в виде раствора (15ЫН4)2804 и Са(15Ж>3)2 с обогащением 24-26 атом. % из расчета 40 мг 1чГ-16№Н4 или Ы-16Ы03 на сосуд. Для сохранения естественного сложения образцов почвы растворы меченых азотных удобрений и необходимое количество воды при доведении влаж-
Характеристика дерново-подзолистой почвы
Горизонт отбора почвы, см рНкс! Гумус по Тюрину, % Объемная масса, г/см3 Масса почвы в 780 см3, кг N„64, % МГ/КГ
Ап10-20 6,5 2,42 1,28 1,00 0,118 18
А2В 30-40 5,5 0,58 1,46 1,14 0,034 11
В 60-70 6,0 0,23 1,53 1,19 0,017 7
ности почвы до 70% НВ, равномерно вносили в почву (в 40 точках) с помощью шприца с тонкой иглой. В одной половине сосудов перед постановкой опыта и в дальнейшем через 12 и 24 сут компостирования почву тщательно перемешивали, а затем уплотняли до первоначального состояния, в другой половине сосудов почва сохранялась в естественном ненарушенном агрегатом состоянии в виде кернов. После герметизации сосудов из них откачивали воздух и в соответствии с задачей исследований заполняли смесью газов, содержащей по объему: 1 — 21% Оа и 79% N2 (имитация воздуха); 2 — 10% 02и 90% N2; 3 — 5% 02 и 95% N2; 4 — 100% N2. Почву инкубировали в термостате в течение 45 сут при температуре 22°С. Повтор-ность опытов 5-кратная.
Состав атмосферы сосудов (Ы2, 02 и С02) контролировали в динамике методом газоадсорбционной хроматографии с использованием детектора теплопроводности. Содержание N2 и 02 в атмосфере сосудов определяли на колонке с молекулярными ситами 5А°; С02 — на колонке с Рогарак-СЗ. О биологической активности почвенной микрофлоры (почвенном дыхании) судили по интенсивности образования С02 в течение опыта. Отбор проб и смену атмосферы сосудов проводили ежедневно. Содержание общего азота в почве определяли после мокрого озоления. Минеральный азот почвы (аммонийный и нитратный) экстрагировали раствором 0,1 н. КС1 с последующим определением N-N114 по Кьельдалю, N-N03 — в щелочной среде по Деварду. Анализ изотопного состава азота проводили на масс-спектрометре МИ-1201В.
Результаты и их обсуждение
Известно, что наиболее важным интегральным показателем биологической активности сапрофитной микрофлоры почв является продуцирование С02, на основании которого можно судить о размере минерализации (убы-
ли) органического вещества и условиях аэрации. Исследованиями [2] установлено, что интенсивность биологических процессов в почве обусловливается не только содержанием в ней органического вещества (гумуса), но в значительной степени зависит от рыхления почвы.
Ежедневный отбор проб газа для хроматографического анализа и полная смена атмосферы сосудов позволили проследить за динамикой «дыхания» почвы, взятой с отдельных горизонтов при разных условиях аэрации — 21, 10 и 5% 02 (рис. 1, 2).
Как и следовало ожидать, наиболее высокое продуцирование С02 было почвой пахотного горизонта (почва 1), содержащей 2,42% гумуса, наи-
4
МГ С-СОг
12 16 20 24 28 32 ^
4 8 12 16 20 24 28 32 с"т
Рис. 1. Влияние условий аэрации на динамику продуцирования С02 дерново-подзолистой почвой с ненарушенной структурой. Здесь и на других рисунках: 1 — почва пахотного горизонта; 2 — почва горизонта А2В; 3 — почва горизонта В
Рис. 2. Влияние условий аэрации и рыхления на динамику продуцирования С02 дерново-подзолистой почвой
меньшее — малогумусированной почвой 3, взятой из горизонта В (60-70 см). Показатели эмиссии С02 почвой 2 (горизонт А2В, 30-40 см) были несколько выше, нежели почвой 3, однако значительно ниже по сравнению с почвой 1.
При компостировании почв с ненарушенной структурой (почвенных кернов) в газовой среде, близкой к атмосферной (21% 02 и 79% N2), среднесуточное выделение С—С02 из почвы пахотного слоя (см. рис. 1, А) за первые 16 дней опыта составляло 3,6 мг/кг и было в 10-12 раз выше, чем из почвы 2 (слой 30-40 см) и в 80-100 раз превышало продуцирование углекислоты почвой 3 (слой 60-70 см). К концу опыта эти различия были еще более зна-
чительны, поскольку выделение С02 из почв, взятых с горизонтов АгВ и В, постепенно затухало и почти полностью прекращалось в конце экспозиции — через 32 сут.
Снижение содержания 02 в 2 раза при компостировании почв в газовой среде, содержащей 10% 02 и 90% Ы2, не оказывало достоверного влияния на размер и динамику продуцирования ими С02 по сравнению с оптимальными условиями аэрации (21% 02). В первые дни компостирования эмиссия С-С02 почвой 1 (Ап) составляла 3,63,9 мг/кг за 1 сут, в конце опыта — 2 мг/кг. Почвы подпахотных горизонтов АгВ и В в начале компостирования ежесуточно продуцировали соответственно 0,5 и 0,1 мг С-С02, а в конце — следовое его количество.
Снижение содержания 02 в надпочвенной атмосфере сосудов до 5%, судя по выделению С02, не оказывало существенного угнетающего действия на жизнедеятельность гетеротрофной микрофлоры в кернах почвы исследуемых горизонтов. В этих условиях интенсивность продуцирования углекислоты (мг С-С02 на 1 кг почвы за 1 сут) почвами 1 и 2 в течение всего периода их инкубации была лишь на 15-20% ниже по сравнению с вариантами, где в надпочвенной атмосфере содержалось 10 или 21% 02. Продуцирование С02 почвой 3, взятой с глубины 60-70 см, практически не зависело от содержания в надпочвенной атмосфере кислорода в диапазоне 5-21%, что обусловливается низким содержанием в ней доступного для микроорганизмов органического вещества (0,23%), лимитирующим их жизнедеятельность, а следовательно, и нуждаемость в кислороде (см. рис. 1, А, Б).
Необходимо отметить, что в реальных полевых условиях дефицит 02, ограничивающий жизнедеятельность микроорганизмов, может наблюдаться и при содержании его в почвенном воздухе выше 5% в силу медленной диффузии газов при плотном сложе-
нии почвы. Однако из-за слабой активности гетеротрофной микрофлоры нижних горизонтов почвы дефицит кислорода в них может возникать лишь при длительном переувлажнении. Экспериментально доказано [1], что анаэробные условия и дефицит 02 для почвенной микрофлоры в дерново-подзолистых почвах наступают лишь при содержании 02 в почвенном воздухе менее 5%, черноземах — 2,5%.
Результаты исследований почвы, взятой с разных горизонтов с ненарушенным агрегатным состоянием, дают основание полагать, что в полевых условиях содержание 02 в почвенном воздухе не является лимитирующим фактором жизнедеятельности гетеротрофной почвенной микрофлоры, поскольку концентрация кислорода в пахотном и подпахотных горизонтах довольно редко снижается ниже 10-15%.
Периодическое рыхление почвы (при постановке опыта, через 12 и 24 сут) путем тщательного ее перемешивания в сосуде для компостирования с последующим уплотнением до первоначальной плотности приводило к значительному повышению активности почвенной микрофлоры и эмиссии С02 (см. рис. 2) по сравнению с почвой с ненарушенной структурой (см. рис. 1). При этом действе рыхления почвы на продуцирование микроорганизмами диоксида углерода относительно сильнее проявлялось в почвах подпахотных горизонтов в связи с изменением условий их обитания, нежели пахотного.
Однако независимо от содержания гумуса в почве и ее пространственного расположения в почвенном профиле (Ап, АгВ или В) наблюдалась общая закономерность в динамике продуцирования ими С02: напряженность биологических процессов после каждого рыхления почвы быстро возрастала, достигая максимального значения на 5-6 сут, а затем постепенно снижалась до уровня продуцирования С02 почвами с ненарушенной структурой (см. рис. 1 и 2).
В целом при компостировании почвы пахотного слоя в атмосфере, содержащей 21% 02 и 79% Ы2, продуцирование С02 после ее рыхления возрастало на 30-40% (см. рис. 2, 1) по сравнению с почвой с ненарушенной структурой. Снижение концентрации 02 в надпочвенной атмосфере с 21 до 10% практически не влияло на микробиологическую активность почвы и динамику выделения диоксида углерода, что может свидетельствовать о нормальных условиях аэрации. Особенно значительная активизация микробиологических процессов происходила при рыхлении почв, взятых с подпахотных горизонтов (АгВ и В). Продуцирование С02 этими почвами после их рыхления и уплотнения до исходной плотности возрастало в 1,7-2,6 раза по сравнению с почвами, которые компостировали в исходном агрегатном состоянии (в виде кернов). Компостирование почв после их перемешивания и последующего уплотнения до первоначальной плотности в газовой среде, содержащей 5% 02 и 95% Ы2, приводило к снижению активности почвенного дыхания на 17—36% по сравнению с вариантами, где концентрация 02 в надпочвенном воздухе составляла 10 или 20% (см. рис. 2).
Определение нами [3] состава почвенного воздуха пахотного (0-25 см) и подпахотного (25-70 см) горизонтов дерново-подзолистой среднесуглинис-той почвы под различными с.-х. культурами севооборота (озимой пшеницей, многолетними травами, картофелем, кукурузой и яровыми зерновыми) в длительном стационарном опыте (заложенным И.С. Шатиловым в 1966 г.) показало, что в течение вегетации растений газовый режим почвы разных полей севооборота в целом был довольно близким: содержание С02 в почвенном воздухе пахотного горизонта под различными культурами варьировало в пределах 0,3-1,6%, подпахотном слое — 2-4%, а концентрация 02 в среднем за летний период составля-
ла соответственно 20,3 и 18,2%. Однако несмотря на близкое содержание кислорода в почве под различными культурами, минерализация гумуса под зерновыми и травами была в 1,61,9 раза ниже, чем под пропашными — картофелем и кукурузой.
В этой связи устоявшееся мнение, что активизация микробиологических процессов в почве после ее обработки обусловлена более высоким содержанием 02 в почвенном воздухе следует считать не вполне обоснованным. Учитывая, что преобладающая часть микроорганизмов почвы находится в адсорбированном состоянии на поверхности почвенных агрегатов и коллоидов [7] и, следовательно, их развитие в значительной мере лимитировано локальным содержанием питательных веществ и в определенной мере накоплением продуктов метаболизма, можно полагать, что перемешивание почвы при ее рыхлении (обработке) является важным фактором активизации жизнедеятельности микроорганизмов благодаря пространственному распространению их (инокуляции, рассеву) в почвенной среде. Это положение находит экспериментальное подтверждение в данной работе и предшествующих исследованиях [2].
Наряду с повышением биологической активности, рыхление почвы оказывало большое влияние на интенсивность процессов нитрификации и де-нитрификации.
Экспериментально установлено, что условия аэрации оказывают неравнозначное действие на интенсивность нитрификации аммонийного азота в почве пахотного и подпахотных горизонтов. При компостировании почвы пахотного слоя в виде кернов (микромонолитов) с ненарушенной структурой в газовой среде, содержащей 21% 02, аммонийный азот к концу опыта (45 сут) был практически весь нитрифицирован (рис. 3, А, 1), при содержании в надпочвенном воздухе 10% 02 в почве оставалось 8-12% внесенного
Рис. 3. Влияние условий аэрации на динамику нитрификации аммонийного азота в дерново-подзолистой почве с ненарушенной структурой
Ы~ЫН4+ (рис. 3, Б,1), а снижение концентрации 02 в воздухе до 5% оказывало негативное действие на нитрификацию, вследствие чего более 60% внесенного азота оставалось в аммонийной форме.
В почвах с ненарушенной структурой 2 и 3 , взятых соответственно с горизонтов 30-40 и 60-70 см, -нитрификация Ы-ЫН4+ протекала очень медленно и практически не зависела от концентрации 02 в надпочвенном воздухе в диапазоне 5-21%. К концу опыта (45 сут) в этих почвах 85-98% ЫН4+ оставалось в аммонийной форме (см. рис. 3, 2,3).
Тщательное рыхление почв (с последующим их уплотнением до первоначального состояния) способствовало перераспределению микроорганизмов в почве, что значительно повышало интенсивность нитрификации по сравнению с почвами с ненарушенной структурой. В почве пахотного слоя, компостируемой в газовой среде с содержанием 21 и 10% 02, внесенный аммонийный азот (40 мг 1\Г-ЫН4+ на сосуд) был практически полностью нитрифицирован за 30-е сут (рис. 4, А, Б). Однако при компостировании этой почвы в газовой среде, содержащей 5% 02, нитрификация протекала менее интенсивно, вследствие чего к концу опыта (45 сут) в почве оставалось около 60% внесенного аммонийного азота (рис. 4. В).
% N-N1-1.!
% N-NH,
25
30
45 СУТ
Рис. 4. Влияние условий аэрации и рыхления дерново-подзолистой почвы на динамику нитрификации аммонийного азота
Более значительное влияние на интенсивность окисления аммонийного азота оказывало рыхление почв подпахотных горизонтов АгВ или В. При этом скорость нитрификации аммонийного азота в этих почвах (2 и 3) обусловливалась в основном аэрацией во время компостирования и практически не зависела от глубины взятия почвы. При компостировании почвы 2 и 3 в газовых средах, содержащих 21, 10 и 5% 02, к концу опыта было нитрифицировано соответственно 70-75, 4555 и 25-28% внесенного аммонийного азота (рис. 4, А,Б,В).
Механическое перемешивание почвы с последующим уплотнением до первоначальной плотности оказало большое влияние на жизнедеятельность почвенной микрофлоры и способствовало повышению активности денитрифицирующих микроорганизмов, в результате чего потери нитратного азота из почвы заметно возрастали. Однако в большей степени интенсивность денитрификации зависела от условий аэрации и содержания в почве органического вещества (рис. 5).
При компостировании почвы пахотного слоя с ненарушенной структурой в газовой среДе, содержащей 21 и 10% 02, скорость денитрификации была примерно одинаковой. За 45 дней восстанавливалось 36-40% внесенного в почву N-NO3, в то время как в анаэробных условиях — газовой среде, содержащей 100% N2, азот нитратов (40 мг N-NO3 на сосуд) был полностью восстановлен за 30 дней (рис. 5, 1).
Денитрификация нитратов в кернах почв 2 и 3 (горизонт 30-40 и 60-70 см) протекала довольно медленно независимо от условий аэрации и составляла лишь 4-10% от внесенного N-NO3, что обусловлено, прежде всего, низким содержанием в них гумуса и высокой его устойчивостью к минерализации (рис.'5, 2 ,3).
В вариантах, где почвы перед компостированием тщательно перемешивали, а затем уплотняли до исходной
Рис. 5. Влияние условий аэрации на динамику денитрификации нитратного азота в дерново-подзолистой почве с ненарушенной структурой
плотности, денитрификация нитратов в аэробных и анаэробных условиях протекала боле интенсивно, чем в почвах с ненарушенной структурой (рис. 6). В аэробных условиях при содержании в надпочвенном воздухе 21 и 10% 02, в почве 1 (Ап) за 45 сут редуцировалось более 50% нитратов. В анаэробных условиях (100% Ы2) полное восстановление N-N03 завершалось за 30 сут.
В отличие от почв 2 и 3 подпахотного горизонта с ненарушенной структурой, где потери нитратов были незначительны (менее 10%), денитрификация нитратов после рыхления этих почв возрастала в аэробных условиях (варианты А и Б) до 15 и 25%, а в ана-
Рис. 6. Влияние условий аэрации и рыхления дерново-подзолистой почвы на динамику денитрификации нитратного азота
эробных до 50 и 70% от внесенного количества N-N03 (рис. 6, 2, 3). При этом более высокие потери азота нитратов в газообразной форме происходили из почвы 2 (горизонт АгВ), нежели из почвы 3, взятой с горизонта В, отличающегося очень низким содержанием гумуса.
Заключение 4
Результаты экспериментальных исследований с дерново-подзолистой сред-несуглинистой окультуренной почвой позволяют сделать заключение, что механическое перемешивание (рыхление) почв разных горизонтов способствует значительному повышению их микро-
биологической активности (продуцирование С02) и минерализации гумуса в широком диапазоне содержания 02 (от 5 до 21%) в почвенном воздухе.
При рыхлении образцов почвы с ненарушенной структурой (кернов) разных горизонтов (Ап, А2В и В) интенсивность нитрификации и денитрификации в аэробных условиях повышалась.
Библиографический список
1. Гречин И.П. Свободный кислород и его роль в почвенных процессах лесолуговой (таежнолесной) зоны европейской части СССР: Автореф. докт. дисс. М.: МСХА. 1965,— 2. Кидин В.В.,Ба М.Р. Продуцирование углекислоты дерново-
подзолистой почвой в зависимости от форм азотных удобрений и рыхления // Изв. ТСХА. Вып.1, 1992. С. 50-56. — 3. Кидин В.В., Ионова О.Н. Динамика потребления аммонийного и нитратного азота растениями из различных горизонтов почвы // Агрохимия. № 11, 1992. С. 3-15. — 4. Коренъков Д.А. Агрохимия азотных удобрений. М.: Наука, 1976. — 5. Никитишен В.И. Факторы, обусловливающие последействие азотных и фосфорных удобрений // Плодородие,
2004. № 2. — 6. Смирнов П.М. Вопросы агрохимии азота. М.: ТСХА, 1977. — 7. Современная микробиология. Прокариоты / Под ред. Ленгелера Й. и др. М.: Мир,
2005. Т. 1.
Рецензент — д. с.-х. н. И.П. Дерюгин
SUMMARY
Effect of cultivation of soil samples obtained at different horizons (An, A2B and B) on intensity of C02 emission, nitrification and denitrification in series of laboratory experiments on sod-podzolic loamy soil is observed. Significant influence on mechanica redistribution of soil in arable horizon and subsoil, on intensity of soil C02 emission, transformation of NH4+-N and NCV-N under aerobic and anaerobic conditions is established.
