Влияние действия и последействия остаточных количеств фосфорных и калийных удобрений на продуктивность культур и ферментативную активность дерново-подзолистой супесчаной почвы

Почвоведение и агрохимия № 2(51) 2013

Размещено на http://www.allbest.ru/

238

Размещено на http://www.allbest.ru/

236

Влияние действия и последействия остаточных количеств фосфорных и калийных удобрений на продуктивность культур и ферментативную активность дерново-подзолистой супесчаной почвы

В.В. Лапа, Н.А. Михайловская, Н.Н. Ивахненко, Т.В. Погирницкая Институт почвоведения и агрохимии

Summary

Environmentally acceptable level of organic substances mineralization (142%) and high crop rotation productivity (56,7 c f.u./ha) were observed as a result of annual application of N67,3P40K85,7. The introduction of N67,3, as well as combinations N67,3K85,7 and N67,3P40 resulted in surplus enhancement of organic substances mineralization (169%, 164%, 167%) compared control treatment (100%).

Введение

Проблема устойчивости почв к деградации имеет большое научное и практическое значение. Одним из видов химической деградации пахотных земель является истощение их элементами питания, что отчетливо проявляется при экстенсивном способе хозяйствования. При отсутствии или очень низком уровне поступления элементов питания с удобрениями их баланс в почве характеризуется большой напряженностью [1-3].

Одной из актуальных задач агрохимических исследований на дерновоподзолистых супесчаных почвах является оценка длительности последействия остаточных количеств фосфорных и калийных удобрений, внесенных с минеральными и органическими удобрениями. Такие исследования имеют практическое и экологическое значение и позволяют установить продолжительность действия остаточных количеств неиспользованных растениями удобрений [1-3].

Валовые запасы фосфора и калия в дерново-подзолистых почвах значительно превышают содержание их доступных форм. Содержание калия в почвах в 5-10 раз больше, чем азота и фосфора. В разных типах почв удельный вес калия колеблется от 0,5 до 3%, составляя в песчаных и супесчаных почвах 1-2% [4-5]. Общее содержание фосфора в разных типах почв колеблется от 0,01 до 0,35%, в дерново-подзолистых супесчаных почвах - от 0,064 до 0,121% [6].

Несмотря на значимые валовые запасы фосфора и калия в дерновоподзолистых почвах, деградация плодородия по содержанию этих элементов питания может происходить быстрее по сравнению, например, с азотом. Комплексная оценка фосфорного и калийного состояния дерново-подзолистых супесчаных почв показала, что длительность последействия калийных удобрений гораздо ниже, чем фосфорных и составляет 3 года [1].

На наш взгляд, такие исследования целесообразно сочетать с изучением биологической активности дерново-подзолистых супесчаных почв, что позволило бы прояснить особенности протекания ключевых биохимических и микробиологических процессов, их скорость и направленность. Биологическое состояние почвы является одним из основных критериев оценки влияния антропогенных факторов на плодородие почвы [7, 8]. Экологическая роль диагностики биологического состояния дерново-подзолистых супесчаных почв особенно возрастает при изучении вопросов их агрохимической деградации. При несбалансированном применении удобрений часто отмечается негативное воздействие на ключевые микробиологические и биохимические почвенные процессы, в ряде случаев регистрируется усиленная минерализация органических соединений почвы [9, 10].

К настоящему времени по биохимическим свойствам дерново-подзолистых супесчаных почв республики информации недостаточно [11, 12].

Надежную оценку биохимического потенциала почв обеспечивают комплексные исследования по гидролитической трансформации органических веществ и их гумификации, которые регулируются гидролитическими и окислительными ферментами [13, 14]. Особый интерес представляет оценка активности минерализационных и синтетических (гумификационных) процессов, связанных с циклами углерода и азота, что дает информацию о направленности изменения плодородия почвы и сохранности органического вещества.

Цель исследований - установить влияние действия и последействия остаточных количеств азота, фосфора и калия на урожайность сельскохозяйственных культур и ферментативную активность дерново-подзолистой супесчаной почвы.

1. Объекты и методы исследований

Биологические исследования проведены в стационарном полевом опыте на дерново-подзолистой супесчаной почве, подстилаемой с глубины 30-50 см песком (Экспериментальная база им. А.В. Суворова, Узденский р-н). Агрохимическая характеристика пахотного слоя почвы перед закладкой опыта в 1987 г.: рН (_KCl) - 5,6-6,0, гидролитическая кислотность - 1,58-1,92, содержание гумуса - 1,8-2,3%, подвижного фосфора (по Кирсанову) - 80-100 мг/кг, калия - 170-230 мг/кг почвы.

С 1986 г. по 1995 г. в почву внесено 120 т/га соломистого навоза крупного рогатого скота (навоз КРС) - фон. В контрольном варианте опыта минеральные и органические удобрения не вносили с 1987 г. По другим вариантам опыта фосфорные удобрения не вносили с 1987 и 1999 гг., азотные и калийные - с 1999 гг.

С 1999 г. в полевом эксперименте изучали действие и последействие азотных, калийных и фосфорных удобрений. В качестве минеральных удобрений вносили аммиачную селитру или мочевину (карбамид), хлористый калий и аммофос или аммонизированный суперфосфат.

За три ротации 4-польного севооборота в вариантах с внесением фосфорных и калийных удобрений содержание подвижного фосфора возросло на 33-57 мг/кг, подвижного калия - в среднем на 28 мг/кг почвы.

Схема опыта включает 16 вариантов удобрений в 4-кратной повторности. Общий размер делянки - 49,5 м² (5,5 м х 9,0 м). Учетная площадь делянки - 32 м² (4 м х 8 м). В 1995 г. под картофель внесен навоз КРС, 40 т/га. Биологические исследования проведены на 10 вариантах полевого опыта. Схема опыта приведена в таблицах 1-3.

Отбор почвенных образцов для биологических исследований проведен в оптимальные сроки, весной до внесения удобрений [15]. Весенний отбор образцов позволяет снизить маскирующий эффект внесения минеральных удобрений, гидротермических условий вегетационного периода возделываемых культур и дает возможность оценить результат биохимической деятельности микроорганизмов, когда процессы трансформации свежего органического вещества, поступившего в почву в течение вегетации, практически завершены.

Диагностика ферментативной активности почвы выполнена по гидролитическим (инвертаза и уреаза) и окислительным (полифенолоксидаза и пероксидаза) ферментам. Активность инвертазы определяли колориметрическим методом, предложенным Т.А. Щербаковой, с использованием сахарозы в качестве ферментного субстрата; для определения количества редуцирующих сахаров, образующихся в результате энзиматической реакции, использована динитросалициловая кислота [16]. Для установления уреазной активности почвы применяли метод Т.А. Щербаковой, в котором ферментным субстратом служила мочевина, активность рассчитывали по концентрации аммония - мг N-NH₄⁺/кг [16]. Для определения активности почвенных оксидаз, полифенолоксидазы и пероксидазы, использован колориметрический метод, разработанный Л.А. Карягиной и Н.А. Михайловской, с применением гидрохинона в качестве ферментного субстрата, где активность ферментов устанавливали по окрашенному продукту ферментативной реакции, бензохинону [17].

2. Результаты исследований и их обсуждение

В контрольном варианте полевого эксперимента, где минеральные и органические удобрения не вносили с 1987 г., среднегодовая продуктивность сельскохозяйственных культур за период 1999-2013 гг. составила 33,1 ц к.ед./га (табл. 1).

Установлено, что наиболее высокая среднегодовая продуктивность культур 56,7 ц к.ед./га получена при среднегодовом внесении полной дозы минеральных удобрений N_67,3P₄₀K_85,3. Высокий уровень среднегодовой продуктивности культур 54,6 ц к.ед./га отмечен при среднегодовом внесении парной комбинации N_67,3P₄₀, т.е. при последействии калийных удобрений с 1999 г., при этом недобор продуктивности составил 2,1 ц/га при сравнении с внесением полной дозы (табл. 1).

Таблица 1 Ферментативная активность дерново-подзолистой супесчаной почвы и среднегодовая продуктивность сельскохозяйственных культур

Примечание. ПФО - полифенолоксидаза, ПО - пероксидаза.

При ежегодном внесении фосфорных (Р₄₀) удобрений и последействии азотных и калийных (N₈₇K₉₈ - среднегодовое внесение за 12 лет до 1999 г.) получена среднегодовая продуктивность сельскохозяйственных культур 41,1 ц к.ед./га, недобор продуктивности составил 15,6 ц ед./га. При среднегодовом применении N_67,3K_85,3 и последействии фосфорных удобрений с 1987 г. продуктивность культур формировалась на уровне 50,9 ц к.ед./га. Последействие NPK с 1999 г. обеспечило среднегодовую продуктивность 39,4 ц к.ед./га, что на 6,3 ц к.ед./га выше, чем при последействии NPK c 1987 г. (табл. 1).

Для изучения биохимического статуса дерново-подзолистой супесчаной почвы проведены ферментативные исследования по комплексу показателей. Дана оценка активности гидролитических ферментов, характеризующих деструкционную функцию почвы, ответственных за процессы минерализации сложных углеводов с выделением моносахаридов (инвертаза) и азотсодержащих органических соединений с выделением неорганического азота (уреаза) [13, 16]. Определены также показатели активности почвенных оксидаз (полифенолоксидазы и пероксидазы), по современным представлениям эти микробные оксидазы играют определяющую роль в биохимических процессах гумификации поступающих в почву растительных остатков, содержащих в своем составе лигнины [14, 18] (табл. 1). Для удобства анализа результатов эксперимента показатели ферментативной активности почвы представлены в относительных единицах (%) в соответствии с методом, предложенным Дж. Ацци [19] (табл. 2).

Экспериментальные данные свидетельствуют, что варианты опыта с внесением парных комбинаций, в состав которых входит азот (N_67,3K_85,7, N_67,3P₄₀), и с внесением одного азота (N_67,3), как правило, отличаются повышенной активностью гидролитических ферментов. Инвертазная активность почвы в вариантах с азотом повышена примерно на 67-85%, в других вариантах - на 22-64% по сравнению с контролем без удобрений (100%). Уреазная активность почвы в указанных вариантах с азотом повышена примерно на 52-60%, в других вариантах - на 15-43% по сравнению с контролем без удобрений (100%) (табл. 2).

В то же время активность окислительных ферментов в вариантах с парными комбинациями N_67,3K_85,7, N_67,3P₄₀ и при одностороннем применении N_67,3 повышалась менее значительно. Активность полифенолоксидазы в вариантах с азотом повышена примерно на 10-25%, в других вариантах - на 6-21% по сравнению с контролем без удобрений (100%). Активность пероксидазы в вариантах с азотом повышена примерно на 12-28%, в других вариантах - на 7-24% по сравнению с контролем без удобрений (100%) (табл. 3).

Сравнение данных по продуктивности сельскохозяйственных культур и ферментативной активности дерново-подзолистой супесчаной почвы показало, что в вариантах с высокими и близкими по величине уровнями продуктивности (56,7 и 54,6 ц к.ед./га), при ежегодном внесении полной дозы минеральных удобрений N_67,3P₄₀K_85,3 и парной комбинации N_67,3P₄₀, отмечены различия по активности гидролитических ферментов. Внесение парной комбинации ^N_67,3^P₄₀ сопровождалось более значительной активизацией гидролитических ферментов инвертазы (2267 мг глюкозы/кг) и уреазы (164 мг N-NH₄⁺/кг) по сравнению с ежегодным внесением расчетной дозы минеральных удобрений N_67,3P₄₀K_85,7, где отмечен более сберегающий уровень минерализации углеводов (1910 мг глюкозы/кг) и аммонификации (122 мг N-NH₄⁺/кг) (табл. 1).

При сбалансированном применении полного минерального удобрения (N_67,3P₄₀K_85,7) отмечается высокая продуктивность, сберегающий уровень гидролитических ферментов и средний уровень активности оксидаз (табл. 1-3).

Если рассматривать ферментативную активность почвы в варианте с ежегодным внесением расчетной дозы NPK (122%) как оптимум, обеспечивающий сбалансированное питание и наиболее высокую среднегодовую продуктивность (56,7 ц к.ед./га), то повышенную активность гидролитических ферментов в вариантах N_67,3K_85,7, N_67,3P₄₀, N_67,3 следует рассматривать как избыточную. В условиях несбалансированного питания микробные сообщества почвы развивают повышенную биохимическую деятельность. Пониженная ферментативная активность свидетельствует об определенном замедлении почвенных биохимических процессов. По литературным данным, депрессия энзиматических процессов, как и избыточная биохимическая деятельность микроорганизмов, неблагоприятна для плодородия почвы [7]. В этом случае важно провести сравнение активностей гидролитических и синтетических биохимических процессов для каждого варианта опыта, чтобы определить наиболее вероятные тенденции направленности трансформации органического вещества почвы (табл. 1).

Для сравнительного анализа экспериментальных данных по ферментативной активности рассчитывали показатели минерализации и гумификации органических веществ в дерново-подзолистой супесчаной почве. В качестве показателей минерализации служила общая активность гидролитических ферментов [10, 20], выполняющих деструкционную функцию (табл. 2).

По биохимическим показателям установлено, что наибольшая активность минерализации органических веществ наблюдается при одностороннем внесении азота N_67,3 - 169% и в вариантах с применением парных комбинаций фосфора и калия с азотом - N_67,3P₄₀ (167%) и N_67,3K_85,7 (164%) (табл. 2). В этих вариантах получена высокая среднегодовая продуктивность севооборота - 52,7, 54,6 и 50,9 ц к.ед./га (табл. 1). На остальных вариантах опыта скорость минерализации ниже и варьирует в пределах 131-149%.

Наиболее высокая продуктивность культур 56,7 ц к.ед./га получена при среднегодовом внесении расчетной дозы минеральных удобрений N_67,3P₄₀K_85,7, что обеспечило и более сберегающий уровень минерализации органического вещества (142%) по сравнению с парными комбинациями NK, NP и односторонним внесением азота (табл. 1, 2). Активность минерализационных процессов в почве при внесении половинной дозы минеральных удобрений была на уровне 119%, продуктивность - 49,4 ц к.ед./га.

Таблица 2 Активность минерализационных процессов в дерново-подзолистой супесчаной почве

Таким образом, сберегающий уровень минерализации органических веществ (142%) и высокую продуктивность севооборота (56,7 ц к.ед./га) обеспечивает внесение расчетной дозы N_67,3P₄₀K_85,7; одностороннее внесение азота N_67,3, а также применение парных комбинаций N_67,3K_85,7 и N_67,3P₄₀ приводит к избыточному повышению гидролитической активности и усилению минерализации органического вещества до 169%, 164% и 167% соответственно по сравнению с контролем без удобрений.

В качестве показателей гумификации служила общая активность окислительных ферментов, ответственных за гумификацию растительных лигнинов [10, 14]. Диапазон варьирования показателей интенсивности синтетических процессов оказался меньше, чем для показателей минерализации органических соединений. Отмечена тенденция повышения скорости гумификации в вариантах с ежегодным внесением фосфора P₄₀ (с.а.), а также при его сочетании с азотом N_67,3P₄₀ и калием K_85,7P₄₀ (с.а.). При одностороннем внесении азота также наблюдали тенденцию усиления гумификации (табл. 3).

Таблица 3 Активность гумификационных процессов в дерново-подзолистой супесчаной почве

Однако во всех вариантах полевого эксперимента, кроме внесения половины расчетной дозы NPK, активность минерализационных процессов заметно превышала активность гумификации (табл. 2, 3).

Содержание гумуса в пахотном слое изменялось в пределах ошибки опыта (табл. 3).

почва урожайность минерализация гумификация

Выводы

1. При внесении среднегодовой дозы минеральных удобрений N_67,3Р₄₀К_85,7 получена максимальная в опыте за 15 лет (с 1999 г.) среднегодовая продуктивность 56,7 ц к.ед./га.

При применении парных комбинаций N_67,3Р₄₀, N_67,3К_85,7 и Р₄₀К_85,7 (последействие калия или фосфора, или азота) продуктивность формировалась на 2,1, 5,8 и 6,6 ц к.ед./га ниже - 54,6 ц к.ед./га, 50,9 и 50,1 ц к.ед./га соответственно.

При одностороннем применении азотных N_67,3 или фосфорных Р₄₀ удобрений продуктивность формировалась на 4,0 и 15,6 ц к.ед./га ниже - 52,7 ц к.ед./га и 41,1 ц к.ед./га соответственно.

2. Получены новые количественные данные по влиянию минеральных удобрений и последействию остаточных количеств азотных, фосфорных и калийных удобрений на интенсивность биохимических процессов минерализации и гумификации органических веществ в дерново-подзолистой супесчаной почве. Установлено, что дисбаланс минерального питания вызывает усиление биохимической деятельности микробных сообществ, особенно в отношении гидролитической трансформации (минерализации) органических веществ.

Сберегающий уровень минерализации органических веществ (142%) при высокой среднегодовой (15 лет - 1999-2013 гг.) продуктивности сельскохозяйственных культур (56,7 ц к.ед./га) обеспечивает среднегодовое внесение расчетной дозы N_67,3P₄₀K_85,7; одностороннее внесение азотного удобрения N_67,3, а также применение парных комбинаций N_67,3K_85,7 и N_67,3P₄₀ приводит к избыточному усилению минерализации органических веществ до 169%, 164% и 167% соответственно по сравнению с контролем без удобрений (100%).

Список литературы

1. Длительность последействия остаточных количеств фосфорных и калийных удобрений / В.В. Лапа [и др.] // Весцi Нац. акад. навук. Сер. с.-г. навук. - 2012. - № 2. - С. 49-56.

2. Лапа В.В. Удобрения как фактор повышения продуктивности земледелия и воспроизводства плодородия почв - состояние и перспективы / В.В. Лапа // Почвоведение и агрохимия. - 2005. - № 1(34). - С. 38-42.

3. Минеев, В.Г. Плодородие и биологическая активность дерновоподзолистой почвы при длительном применении удобрений и их последействии / В.Г. Минеев, И.Ф. Гомонова, М.Ф. Овчинникова // Агрохимия. - 2004. - № 7. - С. 5-10.

4. Пчелкин В.У. Почвенный калий и калийные удобрения / В.У. Пчелкин. - М.: Колос,1966. - С. 26-27.

5. Горбунов Н.И. Минералогия и коллоидная химия почв / Н.И. Горбунов. - М.: Наука, 1978. - С. 23 -32.

6. Синягин И.И. Превращения фосфорных и калийных удобрений в почве и повышение их усвояемости / И.И. Синягин; МСХ СССР, ВНИИНТИ. - М., 1969. - С. 6-24.

7. Звягинцев, Д.Г. Биология почв / Д.Г. Звягинцев, И.Л. Бабьева, Г.М. Зенова. - М.: МГУ, 2005. - 445 с.

8. Dick R.P. A review: long-term effects of agricultural systems on soil biochemical and microbial parameters / R.P. Dick // Agr. Ecosys. Environ. - 1992. - № 40. - P. 25-36.

9. Туев Н.А. Экологические проблемы интенсивного земледелия / Н.А. Туев // Вестн. с.-х. науки. - 1988. - № 2. - С. 91-95.

10. Влияние системы удобрения на ферментативную активность дерновоподзолистой легкосуглинистой почвы / В.В. Лапа [и др.] // Почвоведение и агрохимия. - 2012. - № 2(49). - С. 187-200.

11. Биологическая активность дерново-подзолистой супесчаной почвы в зависимости от обеспеченности подвижным фосфором / Н.А. Михайловская [и др.] // Почвоведение и агрохимия. - 2011. - № 1(46). - С. 243-252.

12. Ферментативная активность дерново-подзолистой рыхлосупесчаной почвы при разной обеспеченности подвижным калием / Н.А. Михайловская [и др.] // Почвоведение и агрохимия. - 2011. - № 2(47). - С. 112-120.

13. Speir T.W. Hydrolytic Enzyme Activities to Assess Soil Degradation and Recovery / T.W. Speir, D.J. Ross // Enzymes in the environments: activity, ecology and applications / еds. R.G. Burns, R.P. Dick. - 2002. - P. 407-431.

14. Martin J.P. Comparison of the use of phenolase and peroxidase for the synthesis of model humic acid type polymers / J.P. Martin, K.A. Haider // Soil Sci. Soc. Amer. J. - 1980. - Vol. 44, № 5. - P. 983-988.

15. Михайловская Н.А. Влияние системы удобрения на ферментативную активность дерново-подзолистой супесчаной почвы / Н.А. Михайловская, О. Mиканова, О.В. Рудько // Почвоведение и агрохимия. - 2007. - № 2(39). - С. 186-195.

16. Щербакова Т.А. Ферментативная активность почв и трансформация органического вещества / Т.А. Щербакова. - Минск: Наука и техника, 1983. - 221 с.

17. Карагiна Л.А. Вызначэнне актыўнасцi полiфенолаксiдазы i пераксiдазы ў глебе / Л.А. Карагiна, Н.А. Мiхайлоўская // Весцi АН БССР. Сер. с.-г. навук. - 1986. - № 2. - С. 40-41.

18. Туев, Н.А. Микробиологические процессы гумусообразования / Н.А. Туев. - М.: Агропромиздат. - 1989. - 237 с.

19. Ацци, Ж. Сельскохозяйственная экология / Ж. Ацци. - М.: Ил, 1959. - 479 с.

20. Different approaches to evaluating soil quality using biochemical properties / F. Gil-Sotres [et al.] // Soil Boil. Biochem. - 2005. - Vol. 37. - P. 877-887.

Размещено на Allbest.ru