Биокинетический цикл азота в системе почва-удобрение-растение в условиях Забайкалья

Динамика и кинетика распределения почвенного азота. Выявлены значительные различия в содержании и динамике распределения азота по группам и фракциям органического вещества изучаемых почв (табл.10).

В лугово-черноземной почве большая часть азота представлена азотом гуминовых кислот (36.5 ± 0.4%) и гуминов (31.2 ± 0.3%), а минимальная - фульвокислот (18.5 ± 0.2%) при небольшой вариабельности и характерным для почв гуматного типа распределением (Nгк : Nфк = 1.93 - 2.06). При этом, в гуминовых кислотах основная доля приходится на фракцию, представленную гуматами кальция (2), в которой его содержание достигало 1/3 от общего азота, при значительно меньшем присутствии во фракции, связанной с устойчивыми полуторными оксидами (3) и свободными и рыхлосвязанными кислотами (1). В фульвокислотах высокое содержание азота отмечено во фракции 1 и декальцинате (1а), минимальное - в полимерном комплексе с гуминовыми кислотами (2).

Таблица 10. Содержание и динамика распределения азота по фракциям органического вещества почв

Примечание: числитель - мг / 100 г, знаменатель - % от N общий

НСР05 (мг): лугово-черноземная - 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; каштановая - N общ. - 9.23; фракции ГК: 1 - 1.63, 2 - 1.85, 3 - 1.72; фракции ФК: 1а - 9.04, 2 - 5.27, 3 - 2.04; НО - 5.38.

В каштановой почве основная доля органического азота приходится на азот фульвокислот (41.2 ± 1.9%) и гуминов (38.3 ± 1.3%), а минимальная - гуминовых кислот (13.9 ± 3.5%) с незначительной вариабельностью и разным распределением по их фракциям с характерным для этих почв фульватным типом - Nгк : Nфк = 0.32 - 0.37. При этом характер его распределения в гуминовых кислотах был схожим распределению в почве гуматного типа с преимущественным содержанием во фракции гуматов кальция (2) и меньшим - во фракциях, связанных с полуторными оксидами (2), свободными и рыхлосвязанными кислотами (1). Значительные различия связаны с распределением азота по фракциям фульвокислот: высокая насыщенность во фракции декальцината (27.4% от общего азота) и отсутствие во фракции 1.

Содержание природного азота в группах и фракциях изменялось во времени. В лугово-черноземной почве его содержание в составе свободных и рыхлосвязанных гуминовых кислот (1) значимо возрастало в течение 30 дней с константой скорости k = 0.399 в сутки и последующей стабилизацией, что указывает на его участие в их синтезе с формированием ближайшего резерва доступного органического азота. Последнее обеспечивалось минерализацией азота преиму- щественно связанного с кальцием (2), но с меньшей константой скорости (k = 0.074 сутки -1) и высокой подвижностью азота декальцината (1а), где его содержание значимо снижалось с большей кинетикой (k =0.258 сутки -1) при сильной и статистически доказанной (tф > tst) их тесноте (r = 0.94 ± 0.2) на фоне увеличения содержания азота во фракции 1 фульвокислот с вдвое ниже константой (k) скорости в сравнении с фракцией 1 гуминовых кислот. Увеличение содержания азота в составе свободных и рыхлосвязанных гуминовых кислотах (1) лугово-черноземной почвы обеспечивалось сильной и обратной теснотой (r) снижения его в гуматах кальция (r = - 0.94 ± 0.2) и декальцинате (r = - 0.88 0.3) при высокой сопряженности в общей совокупности (R = 0.981). Эта панорама отражает перераспределение и оборачиваемость азота мерзлотной почвы по фракциям органического вещества в результате синтеза и минерализации, которая поддерживается и скоростными (k) характеристиками. Наибольшей устойчивостью обладает азот, входящий во фракции, связанные с полуторными оксидами (3) гумусовых кислот и негидролизуемый остаток.

Динамика и кинетика содержания азота в органическом веществе каштановой почвы имела значительные отличия. Присутствие азота в составе свободных и рыхлосвязанных гуминовых кислот (1) поступательно возрастало с 2.7 до 4.2% при очень слабой кинетической константе (k=0.109 в сутки). Эта динамика отражает слабый резерв пополнения органического азота каштановой почвы за счет синтеза этих соединений гуминовых кислот, тем более что в абсолютном выражении эта величина за 60 дней не превышала 2 мг. Содержание азота во фракции гуминовых кислот, связанных с кальцием (2) и полуторными оксидами (3), наоборот, снижалось с константой скорости (k) минерализации (по модулю) соответственно вдвое ниже (k = 0.046 сутки -1) и равной (k = 0.111 сутки -1) с константой (k) его участия в синтезе свободных и рыхлосвязанных гуминовых кислот (1). Причем теснота связей была сильной (r = - 0.74 ± 0.16) с обратным характером и высокой в общей совокупности (R = 0.801). Отсюда, кинетика пополнения доступным органическим азотом в почве с фульватным типом гумуса за счет минерализации гуминовых кислот очень слабая.

Наиболее высокие изменения в содержании природного азота наблюдались во фракции декальцината (1а). Однако кинетика минерализации оказалась очень слабой (k = 0.099 сутки -1) и сопоставимой по модульной величине с кинетикой участия в синтезе свободных и рыхлосвязанных гуминовых кислот (1). В наименее подвижных фракциях фульвокислот (2 и 3) изменение содержания азота в сравнении с аналогичными фракциями (2 и 3) гуминовых кислот менее выражено вследствие слабой его минерализации.

В целом для динамики распределения азота в органическом веществе лугово- черноземной почвы характерно увеличение его в составе свободных и рыхлосвязанных гуминовых кислот, кинетика которого превышала снижение, а в фульвокислотах - константа скорости снижения была выше увеличения, что сопровождается доминированием азота гуминовых кислот в органическом веществе этой почвы. В каштановой почве наибольшие изменения выявлены во фракции декальцината фульвокислот, где его содержание достоверно снижалось, а в гуминовых кислотах - статистически оставалось без изменений в отсутствии по этим параметрам кинетических (k) различий, обеспечивая доминирование азота фульвокислот в органическом веществе этой почвы.

Динамика и кинетика распределения иммобилизованного азота. На основании фракционирования органического вещества почв с определением изотопного состава азота удалось проследить за распределением иммобилизованного азота (15N) удобрений в фракциях и дать оценку скоростным изменениям (табл.11).

В лугово-черноземной почве основная доля иммобилизованного азота приходится на фульвокислоты (68.4 ± 4.9%) при содержании 15N в гумине 12.9 ± 2.0% от внесенного с незначительным включением (3.7 ± 0.9%) в состав гуминовых кислот при небольшой величине варьирования. Схожесть процессов наблюдалась и в каштановой почве при значительно больших величинах в фульвокислотах (76.7 ± 4.4%), меньших - в гумине (4.8 ± 0.9%) и незначительных (1.0 ± 0.3%) - в гуминовых кислотах при небольшой их вариабельности.

Динамика иммобилизованного азота удобрений во фракциях органического вещества почв складывалась неодинаково. Наибольшая минерализация азота (15N) наблюдалась в легкогидролизуемой части фульвокислот - декальцинате с различиями не только в размерах, но и в кинетике этого процесса по почвам.

В лугово-черноземной почве константа (k) скорости этого явления значительно выше (k = 0.169 сутки -1), чем в каштановой (k = 0.069 сутки -1). Как следствие, при схожей направленности и характере минерализации иммобилизованного азота в виде кривой экспоненты кинетическая составляющая в первой обеспечивала большую его подвижность. Причем величина этих констант (k) оказалась значительно ниже аналогичных, рассчитанных нами для черноземов Западной Сибири - k = 0.484 сутки -1 (Гамзиков, 1978, 2004) и европейской части России - k = 0.872 сутки -1 (Руделев, 1992; Лаврова, 1992; Кидин, 1993).

Одновременно во фракции 1 фульвокислот лугово-черноземной почвы отмечается увеличение иммобилизованного азота с константой скорости k = 0.122 в сутки по модулю, что ниже минерализации при близкой к функциональной (r > 1) тесноте с обратным характером минерализационно-иммобилизационных процессов в этой почве. Выявленная скоростная панорама характеризует оборачиваемость иммобилизованного азота (15N) фульвокислот с превалированием минерализационных процессов с более высоким накоплением доступного органического азота. В каштановой почве также наблюдался рост содержания иммобилизованного азота в фракциях 2 и 3 фульвокислот с константой (k) скорости соответственно k = 0.311 и k = 0.457 в сутки, которые значительно превышали кинетику его минерализации во фракции декальцината, обеспечивая высокую устойчивость и превалирование азота фульвокислот в каштановой почве. В результате в группе фульвокислот одновременно идут два разнонаправленных процесса с участием иммобилизованного азота: реминерализация свободных и связанных и синтез более устойчивых форм при сильной сопряженности, которые поддерживаются скоростными параметрами, отражая внутрипочвенную оборачиваемость иммобилизационно - минерализационных превращений.

Что касается динамики и скорости превращений иммобилизованного азота в гуминовых кислотах, то наиболее высокое его изменение в почвах наблюдалось во фракции свободных и рыхлосвязанных форм (1), где отмечалось устойчивое увеличение, особенно в лугово-черноземной почве. Причем константа скорости его участия в их синтезе оказалась близкой, составляя в лугово-черноземной почве - k = 0.413 и каштановой почве - k = 0.467 в сутки.

Таблица 11. Содержание и динамика распределения иммобилизованного азота (15N) удобрений по фракциям органического вещества почв

Примечание: числитель - мг / 100 г, знаменатель - % от внесенного 15N; НСР05 (мг): лугово-черноземная - фракции ГК: 1 - 0.145, 3 - 0.032; фракции ФК: 1а - 2.51, 1- 0.309; 2 - 0.182, 3 - 0.115; каштановая - фракции ГК: 1 - 0.038, 2 - 0.047, 3 - 0.033; фракции ФК: 1а - 3.648, 2 - 0.161, 3 - 0.102; НО - 0.262.

Оба типа почв характеризуются высокими параметрами в цикле внутрипочвенной оборачиваемости иммобилизованного азота, обеспечивая синтез свободных и рыхлосвязанных гуминовых кислот (1) даже в незначительных количествах. Подобное в одном случае способствовало поддержанию гуматного типа, а в другом - формированию устойчивого фульватного типа гумусового состояния. Причем, константа (k) скорости увеличения трудногидролизуемых их форм в почвах (фракция 3) была также близкой, составляя k = 0.233 и k = 0.275 в сутки соответственно. Однако в отличие от почвы гуматного типа в гуминовых кислотах почвы фульватного типа наблюдалось устойчивое присутствие иммобилизованого азота, связанного с кальцием (2) с высокой скоростью его участия в их синтезе - k = 0.416 в сутки. Скорее всего, это связано с характерным для каштановых почв высоким присутствием карбонатов (Абашеева, 1992;

Куликов и др., 1997; Убугунов и др., 2000; Меркушева и др., 2008).

Выявлена высокая кинетика (k) обогащения почв иммобилизованным азотом негидролизуемого остатка, которая характеризует активное его участие в синтезе негидролизуемых гумусовых соединений с более высокой константой (k) скорости включения в каштановой (k = 0.304 в сутки), чем в лугово- черноземной почве (k = 0.236 в сутки). Эти кинетические характеристики уступали лишь константам (k) скорости участия иммобилизованного азота в синтезе свободных и рыхлосвязанных гуминовых кислот (1). Как следствие, изучаемые почвы стремятся максимально повысить энергетическое состояние иммобилизованным азотом, которое обеспечивается превалированием кинетических параметров процессов синтеза над минерализацией.

Обогащение органического вещества почв иммобилизованным азотом удобрений. Одним из критериев иммобилизационно-минерализационных процессов превращений азота в почвах является отношение содержания иммобилизованного азота (15N) и почвенного азота (14N) во фракциях органического их вещества (Руделев, 1992; Hart et al., 1986; Phops, Tilman, 2000; Follet, 2001).

Подобная характеристика позволила выявить не только обогащение азота почв иммобилизованным азотом удобрений, но и определить направленность трансформации азота в органическом веществе почв с разным гумусовым состоянием.

Установлено, что в почве гуматного типа иммобилизация азота удобрений имела ярко выраженную направленность обогащения им природного азота во всех выделенных фракциях с тенденцией увеличения доли во фракции декальцината и гумина при снижении - в свободных и рыхлосвязанных гуминовых кислотах (табл.12). Тогда как в почве фульватного типа гумуса обогащенность почвенных соединений азота иммобилизованным азотом (15N) удобрений оказалась очень слабой и устойчивой только во фракциях декальцината.

Обогащение остальных фракций практически отсутствовало и наблюдалась лишь тенденция к увеличению доли 15N во фракциях органического вещества почвы.

Таблица 12. Соотношение иммобилизованного азота (15N) удобрений и почвенного азота (14N) по фракциям органического вещества почв

Активная фаза органического азота почв. Согласно оценкам целого ряда авторов иммобилизованный азот отнесен к «активной» фазе органического вещества почв (Кудеяров, 1985; Руделев, 1992; Семенов и др., 2007; Jansson, 1956; Hamer,

Marschner, 2005; Cookson et al., 2005; Kuzyakov, Bol, 2006).

На основе результатов исследований с 15N предпринята попытка определения эквивалентного количества азота в «активной» фазе почв сезонномерзлотного и мерзлотного ряда по изменению содержания иммобилизованного азота в год последействия (табл.13).

Таблица 13. Количество азота в «активной» фазе органического вещества почв

Примечание: Содержание 15N в почвах весной первого года последействия принято в качестве стандарта (Кудеяров, 1985, 1989).

Содержание азота в «активной» фазе органического вещества почв оказалось незначительным и не превышало 3.82 ± 0.8 % от общего азота при небольшой вариабельности. По этому показателю изучаемые почвы значительно уступали почвам европейской части (Кудеяров, 1985), приближаясь к 12 году реминерализации ранее иммобилизованного азота (Будажапов, 1989; Лаврова, 1992). Низкая минерализационная способность сезонномерзлотных и мерзлотных почв связана с очень слабым притоком энергетических источников для почвенных микроорганизмов, активно ассимилирующих органические формы азота (бактерии на МПА) при слабой (r < 0.63) и статистически не выявленной (tф < tst) тесноте связей с минерализацией иммобилизованного азота в почвах.

В результате высокая интенсивность процесса иммобилизации азота удобрений в почвах не сопровождается адекватно высокой его минерализацией, а запасы азота в «активной» их фазе не могут служить ощутимым резервом доступного азота и характеризуют слабую оборачиваемость в цикле внутрипочвенных иммобилизационно - минерализационных превращений. Эпизодичное появление «экстра» - азота почв с очень высокой вариабельностью вызвано очень слабой и неустойчивой минерализацией азота «активной» фазы почв.

Азотминерализующий потенциал почв и его диагностика. Величина азотминерализующего потенциала почв (N0) и константа скорости (k) процесса позволяют дать количественную и кинетическую оценку размерам минерализации органического азота (Stanford, Smith, 1972; Кудеяров, Башкин, 1981; Башкин, 1987; Hasegawa et al., 1999; Tnnsoutyrot et al., 2000; Dinesh et al., 2001; Delin, Linden, 2002; Rao, Li, 2003; Akasaka et al., 2003; Kara-Mitcho, 2004).

Установлено, что выраженный мерзлотный характер функционирования почв во времени и пространстве значительно ограничивает развитие минерализации органического азота почв, потенциал которой при внесении азотных удобрений не превышал 1% от общего содержания азота в почвах и оказался наименьшим в лугово-черноземной почве - 0.08%, а в более прогреваемых (каштановая) и увлажненных (серая лесная) на варианте без удобрений достигал 2% (табл.14). Величина N0, независимо от вариантов, в каштановой и серой лесной почвах, черноземе южном была выше, чем в лугово-черноземной почве при значительном снижении в случае внесения удобрений.

Более устойчивые различия в минерализации органических соединений азота почв выявлены по скоростным параметрам, которые вкупе с количественными величинами формируют более развернутую панораму азотминерализующего эффекта (Stanford, Epstein, 1974; Башкин, 1987; Zhang et al., 2002; Hadas et al., 2004).

Константа (k) скорости минерализации азота в почвах сезонномерзлотного ряда по каждому варианту была близкой с более чем вдвое меньших величинах при внесении азотных удобрений (табл.14). Наиболее значительные различия в константах (k) по вариантам наблюдались в лугово-черноземной почве, где при внесении азотных удобрений их величина была очень слабой - k = 0.053 год -1.В результате в почве с мерзлотным характером скоростные составляющие минерализации органического азота минимальные. Показано, что кинетика (k) этого процесса в сезонномерзлотных и мерзлотных почвах региона значительно ниже почв европейской части (Башкин, 1987). Последнее вызвано не только слабой активностью микробного ценоза почв, но и низким энергетическим их состоянием. Как следствие, почвы в силу жестких режимов функционирования стремятся увеличить энергетику за счет высокой иммобилизации вносимого азота при минимальных издержках на минерализацию почвенного азота в виде величины N0, поддерживаясь в этом и слабыми скоростными (k) параметрами.

Таблица 14. Потенциал (N0) и константа (k) скорости минерализации органического азота сезонномерзлотных и мерзлотной почв, 0 - 20 см

Отмеченное подтверждается также и периодом, в течение которого следует ожидать снижения интенсивности процесса наполовину (полураспад). Рассчитано, что время этого ожидания (Т0.5), независимо от вариантов и азотного фонда, в сезонномерзлотных (6 лет) и мерзлотной (15 лет) почвах наступает значительно позднее, чем в почвах европейской части. В результате незначительная величина N0, продолжительный период полураспада и низкая кинетика минерализации отражают слабую оборачиваемость органического азота в цикле внутрипочвенных превращений.

Современные подходы к диагностике азотминерализующего потенциала почв (N0) базируются на оценках активности почвенной микрофлоры и участия гидротермических факторов (Кутузова и др., 1998; Звягинцев и др., 2005; Кузнецова и др., 2006; Семенов и др., 2006, 2007; Mitchell et al., 2000; Delin, Linden, 2002; Yang,

Shen, 2002; Akasaka et al., 2003). В этом представлении как правило прибегают к построению различных моделей с вычленением постоянной величины типа Q10 (Stanford, 1976; Башкин, 1987) или констант (k) скорости и участия абиотических признаков по видоизмененному уравнению Аррениуса (Kowalenko, Cameron, 1976; Stenger et al., 1995) и констант Михаэлиса-Ментен (Vmax), характеризующие активность минерализации (Семенов и др., 2007; Вранова и др., 2009).

Активность почвенной микрофлоры. Среди изученных почв наименьшей активностью в минерализации органических соединений азота отличалась микрофлора каштановых почв, константа (k) участия которой возрастала, но обеспечивала не более 73% N0 в отсутствии различий между микроорганизмами на варианте без удобрений (табл.15). При внесении удобрений наибольшую активность проявляли актиномицеты, тогда как активность грибов и бактерий на МПА была слабой.

Таблица 15. Константа (k) участия почвенных микроорганизмов в азотминерализующем потенциале почв (N0), % от фактического

Примечание: * константа (k) участия возрастала (в год)

В серых лесных почвах характер и величина участия почвенной микрофлоры складывалась иначе. На варианте без удобрений формирование величины N0 полностью обеспечивалось активностью актиномицетов, бактериями на МПА - не более 90%, а по грибам - слабо, хотя константа их участия возрастала. Внесение удобрений сопровождалось ростом активности микроорганизмов, обеспечивая полное их участие и усилении более чем вдвое активности грибов при изменении характера участия бактерий на МПА в направлении возрастания. Отсюда, при сопоставимой численности основных групп почвенных микроорганизмов каштановых и серых лесных почв их участие в минерализации органического азота серой лесной почвы выше вследствие менее жестких гидротермических режимов. Их жизнедеятельность способствует большему накоплению доступного азота при высоком участии актиномицетов, меньшем - бактерий на МПА и слабом грибов. Именно эта последовательность в минерализации органических соединений почв является общепризнанной (Мишустин, 1972; Бабьева, Зенова, 1989; Звягинцев и др., 2005).

Наибольшей активностью отличалась микрофлора лугово-черноземных почв: каждая группа самостоятельно обеспечивала процесс азотминерализации при общем характер снижения их участия. Следовательно, высокие параметры азотного фонда этих почв обусловливают повышенный потенциал минерализации. Вклад каждой из групп почвенных микроорганизмов в результативный признак (N0) был неодинаковым: превалировала активность актиномицетов.

Кинетическое участие абиотических и биотических факторов. Несмотря на разное участие биотических факторов в минерализацию органического азота почв (N0) удалось найти принципиально общий знаменатель в виде констант участия (k), которые могут выступать в качестве критериев диагностики N0 даже более, чем некоторые постоянные величины (Stanford, Smith, 1972; Stanford et al., 1974; Башкин, 1987).

Рассчитанные константы (k) позволили вычленить участие биотических и абиотических факторов, как отдельно, так и в их совокупности (табл.16). В этой оценке не по всем признакам константа (k) их участия превышала константу (k) скорости процесса и при меньших ее величинах кинетически не обеспечивала величину N0.

Таблица 16. Кинетическое участие (k) микрофлоры почв и гидротермических показателей в кинетику (k) минерализации органического азота почв (N0)

Анализ выведенных констант (k) участия позволил выявить, что на каштановых почвах ни один из признаков кинетически не мог полностью обеспечивать течение этого процесса. Наибольшая константа (k) участия принадлежала актиномицетам, доля которых достигала на варианте без удобрений 30%, а при внесении удобрений - 50% от кинетики процесса. Причем в последнем, совместная константа (k) их участия с бактериями МПА или с температурами почвы обеспечивали этот процесс, так как совместная константа (k) их участия превышала константу (k) скорости азотминерализующего потенциала. Схожая ситуация выявлена по грибам и бактериям МПА с участием температур почвы.

В иных комбинациях кинетическое обеспечение азотминерализующего эффекта почвы невозможно. На варианте без удобрений кинетические усилия даже всех признаков явно недостаточно, что вызвано очень слабой активностью микрофлоры почв при скудном поступлении энергетических источников для роста. В целом наибольшая константа (k) участия принадлежала актиномицетам и температурам почвы, отражая типичные и устойчивые параметры биотических и абиотических факторов функционирования каштановой почвы.

Кинетика (k) процесса минерализации азота серых лесных почв отличалось более активным участием признаков: константа (k) участия температур почвы на варианте без удобрений на 1/2 обеспечивала кинетику (k) азотминерализующего потенциала, а на варианте с внесением удобрений превышала последнюю. Следовательно, лучшее гидротермические режимы этой почвы повышали константу (k) активности микробного ценоза, которая была наибольшей среди изученных почв, независимо от вариантов оценки. Даже при нивелировании констант (k) участия гидротермических показателей, высокая активность микроорганизмов (k = 0.529 - 1.286 год -1) способна самостоятельно обеспечивать потенциал накопления минерализуемого органического азота серой лесной почвы. Среди абиотических факторов минимальное участие в кинетику N0 серых лесных, как и каштановых почв, принадлежит осадкам, отражая очень ограниченные их возможности. В целом благоприятные эколого-почвенные параметры серых лесных почв обеспечивали высокую кинетику (k) участия микрофлоры и гидротермических факторов в скорости проявления N0.

Кинетическое участие абиотических и биотических факторов в величину N0 лугово-черноземных почв складывалось по - иному. Константа участия осадков в кинетику процесса была выше, чем в каштановых и серых лесных почвах и достигала в варианте без удобрений k = 0.011 в год, а по температурам 0 - 20 см слоя наименьшей среди почв - k = 0.025 год -1. При внесении удобрений характер их участия изменялся, также подвергалось изменениям и кинетическое участие гидротермических факторов, что не выявлено в сезонномерзлотных почвах. Причем, специфика микрофлоры мерзлотных почв проявилась в обратных зависимостях констант (k) участия. Подобного не наблюдалось ни по одной из почв и, как следствие, ни одна из групп почвенных микроорганизмов мерзлотной почвы не могла самостоятельно обеспечивать полного кинетического участия в минерализации органического азота.

Миграционный пул минерального азота в почвах. Современная оценка особенностей распределения нитратного азота в почвах служит основой для диагностики миграционной способности в различных эколого - почвенных режимах (Смирнов, 1982; Руделев, 1984; Башкин, 1987; Муравин, 1991; Лаврова, 1992; Кидин, 1993; Каштанов, Явтушенко, 1997; Семенов, 1996; Ники-тишен, 2002, 2003, 2007). Значимость подобной оценки для территории, на которой находится хранилище 20% мировых запасов пресной воды - оз. Байкал представляется чрезвычайно актуальной, так как адекватность этой информации в регионе остается крайне противоречивой.

Исследования показали, что миграционный пул минерального азота в сезонномерзлотных и мерзлотной почвах представлен нитратным азотом и обменно-поглощенным аммонием, для которых характерна высокая динамичность и сильная теснота связей (r) c показателями увлажнения, особенно осадками в июне, с полиномиальным характером распределения в сезонном цикле. Основная подвижность минерального пула в почвах связана с нитратным азотом, а аммонийный азот практически не участвует в превалирующей водной миграции лабильных азотистых соединений.

С помощью 15N выявлено, что состав миграционного пула азота в почвах при внесении азотных удобрений, независимо от различий азотного их фонда, представлен нитратным азотом почв, удобрений и “экстра”- азотом. Характер миграции описывается различными типами моделей с ограниченной величиной и глубиной по профилю изучаемых почв в течение сезона.

Миграция нитратного азота удобрений в каштановых и серых лесных почвах находилась в сильной сопряженности с осадками (r = 0.78 ± 0.1 и r = 0.84 ± 0.2 соответственно). При типичном дефиците осадков весной миграция нитратов наблюдалась в пределах слоя 0-40 см, при обильном выпадении во второй половине сезона - 0 - 80 см с остаточной миграцией осенью не глубже 60 см. При внесении азотных удобрений выявлен внутрипочвенный нитратный максимум: в каштановой почве обнаружен в 40-60 см слое, серой лесной - 20-40 см. Значимость этой аккумуляции состоит в том, что при определенных условиях этот максимум служит резервом доступного азота и барьером снижения миграции.

С помощью 15N установлен факт появления «экстра»- азота в форме нитратов в почвах, величины которых высоко вариабельны. Содержание этого азота в почвах было близким с минимальной долей в составе миграционного пула нитратного азота. В каштановых почвах его присутствие изменялась от 0.064 до 0.409 ед. на ед. внесенного азота за сезон и резко снижалась в пространстве - с 1.114 ед. в 0 - 20 см слое в июне до 0.005 ед. в 60 - 80 см слое в августе. В серых лесных почвах появление «экстра»-нитратов выше при схожей динамике изменения во времени - от 0.100 до 0.467 ед. и в пространстве - с 0.705 ед. в 0 - 20 см в мае до 0.009 ед. в 60 - 80 см слое в сентябре.

Благодаря моделированию выявлено, что характер миграции нитратного азота почв и удобрений по почвенному профилю (пространство) в сезонном цикле (время) описывается по экспоненте. Константа миграции (k, слой -1) нитратов каштановой (k = 0.545- 0.901) и серой лесной (k = 0.434 - 0.674) почв в метровой толще превышала кинетику (k, слой -1) нитратного азота удобрений, которая составила соответственно k = 0.376 - 0.475 и k = 0.314 - 0.647, отражая превалирующую миграционную способность почвенных нитратов. При всех различиях в содержании и константах (k) миграции нитратного азота почв и удобрений общим критерием в оценке миграционной способности выступает схожая направленность снижения их содержания в пространстве и возрастания констант (k) миграции во времени. Кинетика миграции нитратов каштановой почвы в 0-20 см при внесении азотных удобрений во времени (k = 0.429 месяц -1) была выше серой лесной (k = 0.354 месяц -1), а по нитратному азоту удобрений скоростная константа (k) миграции имела близкие показатели по почвам - k = 0.346 и k = 0.329 месяц -1. С глубиной (20-40 и 40-60 см) кинетические различия (k) в миграции нитратов почвенного происхождения возрастали: в каштановой почве составили соответственно слоям k = 0.577 и k = 0.929 месяц -1 и в серой лесной - k = 0.427 и k = 0.512 месяц -1. По нитратному азоту удобрений кинетика (k) миграции в 20-40 см толще оставалась без значительных изменений: в каштановой почве снижалась (k = 0.240 месяц -1), а серой лесной - возрастала незначительно (k = 0.346 месяц -1). Для «экстра» - азота характерно следующее: в каштановых почвах во времени и серых лесных почвах в пространстве тип его миграции описывается экспонентой, в каштановых почвах в пространстве и серых лесных во времени - полиномом разного порядка.

Соответственно в составе миграционного пула минерального азота константа (k) скорости миграции в сезонномерзлотных почвах наиболее выражена по нитратам почвенного происхождения, величина которой (k) в пространстве оказалась выше, чем во времени.

Своеобразный характер миграции нитратного пула выявлен в профиле лугово -черноземной мерзлотной почвы, который оказался ограничен и во времени, и в пространстве: миграция почвенных нитратов регистрировалась не глубже слоя 60 - 80 см, нитратного азота удобрения и «экстра» - азота не глубже 20 - 40 см, а весной отсутствовала. Подобное связано мерзлотным характером функционирования почвы, который проявлялся в значительно меньшей величине и глубине миграции нитратного азота и отсутствии внутрипочвенного максимума азота удобрений в профиле. Максимальная миграция нитратного азота по профилю мерзлотной почвы наблюдалась при наибольшем оттаивании (июль - август), достигая следовых величин по нитратному азоту почвы 80 см, удобрения - метровой отметки и «экстра» - азота - 60 см. Наиболее высокая константа скорости миграции (k = 1.227 слой -1) характерна для почвенных нитратов в августе, крайне ограничена по нитратам удобрений и эпизодична по «экстра» - азоту.

Таким образом, полученные материалы позволяют сделать заключение, что миграция минерального азота почв и удобрений, вносимых в умеренных дозах (не более 60 кг/га), по профилю сезонномерзлотных и мерзлотных почв отражает специфику их функционирования во времени и пространстве, ограничивается верхним полуметровым слоем и не представляет экологической угрозы для загрязнения территории Забайкалья.

Выводы

1. Разработана концепция биокинетической оценки цикла азота в системе почва -удобрение-растение для криоаридных почвенно-климатических условий, представляющая комплекс высоко сопряженных превращений азота с различными количественными и кинетическими параметрами, динамичность которых оказывает прямое и косвенное воздействие на состояние режимов азота почв и удобрений, его усвоение растениями. Установлены основные характеристики формирования актуальных и потенциально доступных запасов азота при определяющем участии биотических и абиотических факторов, обеспечивающих биокинетическую индикацию основных азотных пулов (поглотительного, ассимиляционного и миграционного) и составляющих баланс азота по скоростным константам (k) в агроценозах Забайкалья.

2. Создание товарной продукции зерновых культур осуществляется в основном за счет почвенного азота, доля которого достигает 3/4 общих затрат элемента на серых лесных почвах и не менее 1/2 на каштановых, черноземах южных и лугово-черноземных. Вклад азота удобрений в формирование урожая пшеницы и ячменя определялся уровнем увлажнения: в засушливых условиях он не уступал почвенному, при благоприятных - снижался, тогда как у овса практически не зависел от условий возделывания. Доля участия «экстра»-азота в продукционном процессе ограничена и эпизодична (10-20% от общего выноса). Продуктивность культур находится в сильной зависимости с усвоением азота почв и удобрений, а также осадками при оценке в парных комбинациях (r) и общей их совокупности (R).

3. Определены количественные и кинетические составляющие баланса азота в системе почва-удобрение-растение, на основе которых доказано, что положительное сальдо определяется высокой константой (k) скорости усвоения и иммобилизации, величины которых в свою очередь обеспечиваются большей по модулю константой (k) скорости снижения содержания азота удобрений. Наилучшее состояние баланса азота складывалось на серых лесных почвах и близким к дефицитному - на каштановых. Экспоненциальный характер кривых характеризует наличие очень возбудимых процессов формирования минерального, поглотительного и ассимиляционного пулов в биоцикле азота с разными кинетическими параметрами. Дана оценка наиболее напряженным статьям баланса азота с ранжированием индекса его доступности в почвах сезонномерзлотного и мерзлотного ряда.

4. Истинные коэффициенты использования азота (15N) удобрений определяются биологическими особенностями культур: наиболее высокими коэффициентами использования и скоростью усвоения выделялся овёс (38.8 ± 5.8%, k = 0.719 в сутки), тогда как у пшеницы (13.9 ± 2.1%, k = 0.222 в сутки) и ячменя (13.4 ± 0.5%, k = 0.360 в сутки) были существенно ниже. В зависимости от свойств почв максимальные коэффициенты использования наблюдались на серой лесной почве (33.7±3.3 %), минимальные - на каштановой (19.0±2.8 %), лугово -черноземная (25.3±3.5%) и южный чернозем (25.7±6.6 %) занимали среднее положение. Индекс доступности азота удобрений возрастает в ряду: каштановая (0.23) > лугово-черноземная (0.34) > чернозем южный (0.35) > серая лесная (0.51), его значения уступают аналогичным в почвах Западной Сибири и европейской части страны. Различия разностного и изотопного коэффициента использования азота удобрений достигали наибольших значений при дефиците увлажнения, независимо от состояния режимных процессов и азотного фонда почв, а их корректировка носит характер линейной регрессионной зависимости.

5. В цикле азотной трансформации высокая иммобилизация азота удобрений в почвах является ключевым процессом, который обусловлен усилением кинетической активности почвенной микрофлоры и улучшением температурного режима почв: лугово-черноземная мерзлотная (53.3±1.3%) > серая лесная (47.9± 1.5%) > чернозем южный (41.1±2.5%) = каштановая (41.1±1.4% от внесённого). Количественные и кинетические параметры иммобилизации в исследуемых почвах сопоставимы с сезонномерзлотными почвами Западной Сибири и значительно выше, чем в почвах европейской части страны. Полная компенсация выноса почвенного азота за счет иммобилизованного азота удобрений наблюдалась в каштановой, южном черноземе и лугово-черноземной мерзлотной почве, тогда как в серой лесной почве не превышала 2/3 выноса. В процессе иммобилизации азота удобрений среди изученных представителей почвенной микрофлоры наибольшую активность проявляют актиномицеты, кинетические константы (k) которых изменяются в ряду: лугово-черноземная (k = 0.434 в год) > серая лесная (k = 0.165 год -1) > каштановая (k = 0.129 в год).

6. Трансформация иммобилизованного азота удобрений и его распределение в составе органического вещества почв поддерживается кинетическими параметрами и отражает панораму внутрипочвенного его перераспределения по фракциям гумусовых веществ. Динамика содержания иммобилизованного азота характеризуется одновременным участием в серии высоко сопряженных процессов: в почвах гуматного типа в минерализации легко- и трудногидролизуемых фракций фульвокислот и синтезе рыхлосвязанных и свободных гуминовых кислот, в почвах фульватного типа - минерализации легкогидролизуемых фульвокислот и синтезе трудногидролизуемых фракций фульво- и гуминовых кислот, поддерживая характерный для каждой почвы тип гумуса.

7. Иммобилизованный азот удобрений представляет «активную» фазу органического вещества почв как результат функционирования цикла иммобилизационно-минерализационных превращений азота, оборачиваемость которых в почвах сезонномерзлотного и мерзлотного ряда чрезвычайно ограничена в силу жестких режимных процессов, слабой микробиологической активности и имеет ярко выраженное кинетическое превалирование иммобилизации. В результате количество азота в «активной» фазе органического вещества почв не превышает 4% от общего азота и отражает крайне ограниченное и эпизодическое участие «экстра» - азота почв в выносе азота растениями.

8. Почвы с разным гумусовым состоянием имеют различный качественный состав органического азота: преимущественное его содержание в почве фульватного типа отмечено в легкогидролизуемых фракциях фульвокислот, а гуматного - в менее подвижных гуминовых кислотах. Потенциал минерализации органического азота почв сезонномерзлотного и мерзлотного ряда очень ограничен (0.08 - 2.2% от общего азота) и слабо изменяется под воздействием азотных удобрений, особенно в лугово-черноземной мерзлотной почве, где константа скорости незначительна (k = 0.053 год -1). Причиной этого является комплексное воздействие биотических (актиномицеты) и абиотических (температура почв и осадки) факторов, негативный эффект которых снижается при внесении азотных удобрений, подчиняясь фундаментальному принципу Ле - Шателье.

9. Миграционный пул минерального азота в профиле сезонномерзлотных и мерзлотных почв отражает специфику его функционирования во времени и пространстве и представлен преимущественно нитратным азотом почв, удоб- рений и «экстра»-азотом, распределение которого по профилю почв ограничивается в основном пределами полуметровой толщи с преобладанием в пахотном слое. Величина, глубина и скорость миграции находятся в существенной связи с осадками (r = 0.78±0.1- 0.84±0.2) и свойствами почв: максимальная глубина миграции азота нитратов отмечена в серой лесной почве (до 80 см), в каштановой - ограничена 60 см и лугово-черноземной - в пределах 40 см. Полученные данные свидетельствуют о возможности экологически безопасного применения азотных удобрений на сельскохозяйственной территории бассейна озера Байкал.

Предложения производству

1. Предложены критерии оценки эффективности азотных удобрений, включающие особенности превращения и баланса внесенного азота для сезонно-мерзлотных и мерзлотных почв Забайкалья. Рассчитана математическая модель перехода к истинному коэффициенту через корректировку разностного коэффициента использования азота удобрений зерновыми культурами.

2. Выявлены размеры усвоения азота удобрений с учетом биологических особенностей культур, азотного и гидротермического режимов для использования в целях диагностики азотного питания растений.

3. Рекомендованы количественные и кинетические критерии оценки азотминерализующей способности сезонномерзлотных и мерзлотных почв, нисходящей миграции нитратного азота удобрений и почв по величине, глубине и скорости процесса для агроэкологической экспертизы последствий применения азотных удобрений на сельскохозяйственной территории, прилегающей к озеру Байкал.

Основные работы, опубликованные по теме диссертации

Учебные пособия

1. Теория и практика применения метода меченых атомов азота в эколого- почвенных исследованиях /Л.В.Будажапов, Р.Д. Норбованжилов. Гриф УМО.

- Улан - Удэ: Изд - во БГСХА. 2007. 101с.

Публикации в изданиях рекомендованных ВАК

2. Будажапов Л.В. Влияние систематического применения азотных удобрений на изменение азотного фонда дерново - подзолистой почвы и урожай зерновых культур / Л.В.Будажапов, И.А.Лаврова // Агрохимия.-1998.-№3. - С.5- 9.

3. Гамзиков Г.П. Минерализация азота стерневой массы в мерзлотном земледелии Забайкалья / Г.П.Гамзиков, Л.В.Будажапов // Плодородие. -2007.- № 4.-С.13 - 14.

4. Билтуев А.С.Модели определения содержания минеральных форм азота в каштановых почвах Забайкалья / А.С. Билтуев, Л.В. Будажапов // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. -2007. -№10. -С.5 - 9.

5. Гамзиков Г.П. Продуктивность зерновых культур и использование азота удобрений на серых лесных почвах Забайкалья / Г.П. Гамзиков, Э.А. Муравин, Л.В. Будажапов // Плодородие. -2008. -№6. -С. 11 - 13.

6. Будажапов Л.В. Модели продуктивности зерновых культур и содержание минерального азота в каштановых почвах / Л.В. Будажапов // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. -2009. -№ 2. -С.13 - 18.

7. Будажапов Л.В. Динамика превращений иммобилизованного азота в органическом веществе каштановых почв Бурятии / Л.В. Будажапов // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. -2009. -№ 3. -С. 5 - 10.

8. Будажапов Л.В. Использование азота удобрений зерновыми культурами на лугово - черноземных мерзлотных почвах Забайкалья /Л.В. Будажапов // Агрохимия. -2009. -№ 6. -С.1- 6.

9. Г.П. Гамзиков. Продуктивность зерновых культур и использование азота удобрений на каштановых почвах Забайкалья / Г.П. Гамзиков, Л.В. Будажапов // Агрохимия. -2009. -№ 9. - С.10 - 17.

10. Будажапов Л.В. Содержание и динамика распределения азота удобрений в органическом веществе лугово - черноземной мерзлотной почвы Забайкалья / Л.В. Будажапов // Плодородие. -2009.- № 5. - С. 11 - 14.

Экспериментальные и обзорно - теоретические статьи

11. Будажапов Л.В. Влияние длительного применения удобрений на агрохимические свойства почвы, ее биологическую активность и минерализацию иммобилизованного азота / И.А. Лаврова, Л.В. Будажапов // Почвенно - агрохимические проблемы формирования высокопродуктивных агроценозов. Пущино: ОНТИ НЦБИ АН СССР.-1988.-С.101 - 104.

12. Будажапов Л.В. Влияние азотных удобрений на агрохимические показатели дерново - подзолистой почвы и урожай зерновых культур // Бюллетень ВИУА. -1989. -№ 92.-С.26 - 28.

13. Будажапов Л.В. Процессы иммобилизации - минерализации азота дерново - подзолистой почвы при систематическом применении азотных удобрений / Л.В. Будажапов, И.А. Лаврова // Бюллетень ВИУА. -1989. -№92. -С.41 - 43.

14. Будажапов Л.В. Влияние минеральных удобрений на биологическое состояние лугово - черноземных мерзлотных почв бассейна озера Байкал / Л.В. Будажапов, С.Ш.Нимаева // Бюллетень ВИУА. -1998. -№111.-С.63 -64.

15. Будажапов Л.В. Баланс азота удобрений в системе почва - растение на агроландшафтах лесостепной зоны бассейна озера Байкал (по данным с 15N) // Труды Бурятской ГСХА.-1999.-Вып.39.-Ч.2. -С.23 - 26.

16. Будажапов Л.В. Особенности трансформации азота удобрений в криоаридных почвах бассейна оз. Байкал (по данным с 15N) // Бюллетень ВИУА. -1999. -№112.-С.25.

17. Будажапов Л.В. Потери азота удобрений с дизиметрическими водами в мерзлотных почвах Забайкалья (по данным с 15N) / Л.В. Будажапов, В.А.Кончиц // Бюлл. ВИУА.-1999. -№112.-С.23 - 24.

18. Будажапов Л.В. Превращение и баланс азота удобрений в мерзлотных почвах Забайкалья (по данным лизиметрических опытов с 15N) // Труды Бурятской ГСХА. -2000. -Вып.41.-Ч.1. -С.130 - 131.

19. Будажапов Л.В. Особенности трансформации и баланс иммобилизованного азота в каштановых почвах Забайкалья (по данным с 15N) // Труды Бурятской ГСХА. -2000. -Вып.41.-Ч.1. -С.79 - 81.

20. Будажапов Л.В. Величина несимбиотической фиксации атмосферного азота в земледелии Забайкалья // Улан - Удэ: БГСХА. -2000. -С.42 - 44.

21. Будажапов Л.В. Динамика минерального азота в светло серой лесной почве лесостепи Присаянья / В.Ю.Гребенщиков, Л.В.Будажапов, В.В. Житов // Улан - Удэ: БГСХА. -2000. -С.39 - 40.

22. Будажапов Л.В. Динамика содержания фиксированного аммония в почвах Забайкалья (по данным с 15N) / Л.В Будажапов, М.Ж. Будажапова // Улан - Удэ: БГСХА. -2001. - С.49 - 52.

23. Будажапов Л.В. Оценка степени подвижности азота органических соединений в почвах Забайкалья // Улан - Удэ: БГСХА. -2001. -С.52 - 56.

24. Budazhapov L.V. Nitrogen balance in landcultivaiting of Transbaikalia / L.V Budazhapov, G.P. Gamzikov, A.S. Biltuev //Int. Jour.:Ecology and Life.-2002. -P.20.

25. Budazhapov L.V. Changes of agrochemical properties in chest nut frozen soil by regular fertilizers application in Transbaikalia / G.P.Gamzikov, L.V Budazhapov, A.S. Biltuev // Int. Journal: Ecology and Life. -2002. -P.26.

26. Budazhapov L.V. The losses of nitrogen fertilizer by leaching water in frozen soils of Transbaikalia / G.P.Gamzikov, L.V. Budazhapov // Int. Journal: Ecology and Life.-2002.-P.17.

27. Budazhapov L.V. Transformation of nitrogen fertilizer in frozen soil of Transbaikalia / L.V. Budazhapov, R.D. Norbovanzhilov, A.S. Biltuev // Inter. Journal: Ecology and Life. -2002. -P.23.

28. Будажапов Л.В. Математико - статистические модели минерализации азота органических соединений сезонно - мерзлотной каштановой почвы сухой степи Забайкалья // Вестник Бурятского государственного университета. Сер. Биология. Вып.8. -2006. -С.15 - 24.

29. Будажапов Л.В. Миграция нитратного азота серой лесной почвы и удобрения во времени и пространстве в лесостепи Прибайкалья // Вестник Бурятского государственного университета. Сер. Биология.- 2007.-С.11 - 20.

30. Будажапов Л.В. Минерализация азота стерневых остатков и изменение азотного фонда почвы сухой степи Забайкалья / Л.В. Будажапов, А.С. Билтуев, Р.Д. Норбованжилов, М.Ж.Будажапова // Вестник Бурятского государственного университета. Сер.: Химия, Биология, Геграфия. -2007. -Вып.3. -С.93 - 96.

Материалы научных конференций

31. Будажапов Л.В. Баланс азота сульфата аммония в системе почва - растение лесостепной зоны бассейна озера Байкал (по данным исследований с 15N) // Экологическое образование: опыт, проблемы, перспективы. Межрегион. науч.- метод. конфер. (Улан - Удэ, 26 -28 июня 1997 г.). - Улан -Удэ, 1997. -С.72 -74.

32. Будажапов Л.В. Условия формирования и структура микробного ценоза лугово - черноземных мерзлотных почв Байкальского региона / Л.В. Будажапов, С.Ш.Нимаева // Микробиология почв и земледелие. Всеросс. конф. (Санкт - Петербург, 14 -16 апреля 1998г.) / РАСХН. - Санкт -Петербург, 1998. -С.57.

33. Будажапов Л.В.Распределение микроорганизмов в профиле лугово-черноземных мерзлотных почв Байкальского региона / С.Ш.Нимаева, Л.В. Будажапов // Микробиология почв и земледелие. Всеросс. конф. (Санкт - Петербург, 14 - 16 апреля 1998 г.) / РАСХН. -Санкт -Петербург, 1998.-С.67.

34. Будажапов Л.В. Особенности превращений азота удобрений в мерзлотных почвах Байкальского региона (по данным лизиметрических опытов с 15N) // Лизиметрические исследования почв. Всеросс. конф. (Москва, 6 - 10 июля 1998 г.). - М.: МГУ, 1998.- С.91 - 93.