Эколого-мелиоративная и кинетическая оценка процесса иммобилизации азота удобрений в мерзлотных почвах Забайкалья

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЭКОЛОГО-МЕЛИОРАТИВНАЯ И КИНЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОЦЕССА ИММОБИЛИЗАЦИИ АЗОТА УДОБРЕНИЙ В МЕРЗЛОТНЫХ ПОЧВАХ ЗАБАЙКАЛЬЯ

Л.В. Будажапов - канд. биолог. наук

ФГОУ ВПО «Бурятская государственная сельскохозяйственная академия», г. Улан - Удэ, Россия

Н.Н. Дармаева - Институт общей и экспериментальной биологии Бурятского научного центра Сибирского отделения РАН, г. Улан - Удэ, Россия

На основе вегетационных и микрополевых опытов с применением изотопной индикации (¹⁵N) и математического моделирования дана развернутая оценка процесса иммобилизации азота удобрений в мерзлотных почвах с характеристикой его скоростных параметров как индикатора мелиоративного воздействия азотных удобрений и барьера, сдерживающего негативные экологические издержки их применения в криолитозоне Забайкалья.

In greenhouse and microfield experiences with applying stable isotope nitrogen -15 and mathematic modeling are determined assessment of nitrogen fertilizer immobilization processes in cryogenic soils with kinetics characteristics as indicator of irrigation influences and barrier, which limiting negative ecological expenses of its applying in frozen land cultivating of Transbaikalia.

Лугово-черноземным мерзлотным почвам Забайкалья вследствие присутствия в профиле многолетней мощной толщи мерзлоты свойственны отрицательный внешний теплообмен, быстрое промерзание и медленное оттаивание, наличие морозобойных трещин и верховодки с мерзлотным периодически возвратно-промывным типом водного режима и выраженным дефицитом тепла и высокой энергетикой процессов оттаивания и промерзания [1]. В этих режимах азотные удобрения выступают как мелиоративный прием, обеспечивающий увеличение плодородия и продуктивности культур. Причем, их применение на территории, непосредственно примыкающей к мировому хранилищу запасов пресной воды - оз. Байкал должно обеспечивать экологическую безопасность его уникальных природных систем. Отсюда, значимость внутрипочвенной трансформации азота в системе почва - растение - удобрение вызывает несомненную актуальность.

Цель исследований - дать экологическую и кинетическую оценку процесса иммобилизации азота удобрений в лугово-черноземных мерзлотных почвах как индикатора эколого-мелиоративного эффекта в криолитозоне Забайкалья.

Методика исследований. Исследования проводили в микрополевых опытах, сосудах без дна объемом 30х30х40 см на лугово-черноземных мерзлотных почвах Витимо-Алданской впадины в Читинской области (1995-1997 гг.) и Еравнинской котловины - в Бурятии (1996-2002 гг.). Агрохимические свойства почвы характеризовались нейтральной реакцией среды, высоким содержанием гумуса и общего азота, доминированием обменного аммония в составе подвижного минерального азота с очень высокой вариабельностью нитратов при средней обеспеченности подвижным фосфором и высоким - обменным калием.

Схема опытов включала три варианта в восьмикратной повторности: 1) без удобрений; 2) Р40К40 - фон; 3) фон + N60. Удобрения вносили перед посевом яровых зерновых культур районированных сортов (пшеница Селенга, ячмень - Витим и овес - Баргузин) в виде двойного суперфосфата (Р_сд) и хлористого калия (К_х), а азотные - сульфата аммония (N_a) с ежегодным внесением на двух повторностях ¹⁵(NH)₂SO₄ с исходным обогащением 59,75 ат. %. Динамику закрепления азота удобрений изучали в вегетационном опыте сосудах Вагнера, вмещающих 3.3 кг абс. - сухой почвы. Схема опыта включала три варианта: 1) без удобрений; 2) РК - фон и 3) фон + N60, первые два варианта - в 4-кратной повторности, третий - 18-кратной. Удобрения (N_a, Р_сд, К_х) вносили перед посевом ячменя из расчета по 100 мг д.в. на кг почвы. Обогащение по ¹⁵N - 87,5 ат. %. Влажность почвы поддерживали на уровне 60…70 % от ПВ. С момента всходов и через каждые 10 дней убирали по 2 сосуда. Общий азот в образцах почв определяли по Кьельдалю-Йдольбауэру, а изотопный состав - на масс - спектрометре. Статистическую оценку и моделирование процесса проводили с помощью программ «Snedecor», кинетическая оценка которого представлена по константам (k) скорости согласно модели экспоненциальной регрессии.

Результаты исследований. Размеры иммобилизации азота удобрений в лугово-черноземной мерзлотной почве оказались очень высокими и были выше, чем в почвах европейской части и приближались к почвам Западной Сибири (табл. 1). В этой оценке высокая чувствительность мерзлотной почвы на дополнительное поступление извне азота отражала специфичность процессов внутрипочвенных его превращений.

Таблица 1

Иммобилизация азота удобрений в лугово-черноземной мерзлотной почве

Примечание: w - осадки за сезон; tв - температура воздуха; tп - температура 0…20 см почвы.

В жестких эколого-почвенных режимах мерзлотных почв криолитозоны размеры иммобилизации азота в среднем составили 53,3 ± 1,3% от внесенного с пределами 48,1… 61,2 % с высокой устойчивостью и слабом разбросе величин вокруг математического ожидания. В экстремальных режимах иммобилизация азота определялась в большей мере состоянием теплового режима мерзлотной почв и находилась в сильной и статистически значимой (t_ф > t_st) тесноте связей с температурами пахотного слоя (r = 0,91 ± 0,14), а с осадками была менее выраженной (r = 0,79 ± 0,14), оставаясь статистически значимой. Отсюда, этот процесс в лугово-черноземной мерзлотной почве более контролировался состоянием теплового ее режима, чем осадками. Тем не менее, множественный коэффициент корреляции (R = 0,801) характеризовал высокую сопряженность гидротермических признаков с закреплением азота в совместном проявлении. В этой оценке, из-за низкого энергетического состояния мерзлотной почвы и высокой экстремальности ее режимных процессов (мерзлота и криоаридность) эта почвенная система стремится максимально повысить его за счет высокого закрепления вносимого азота в органическую форму. Последнее определялось и тем, что теснота продуктивности культур и выноса азота с иммобилизацией азота в почве осталась не выявленной, составляя r = 0,09 ± 0,36 и r = 0,11 ± 0,38.

Значимость процесса иммобилизации азота удобрений в почвах определяется компенсацией затрат выноса почвенного азота иммобилизованным азотом при значительном снижении негативных экологических издержек внесения азота за счет высокого закрепления [2, 3]. Благодаря разделению азота ¹⁴N почвы и азота ¹⁵N удобрений установлено, что возмещение затрат выноса почвенного азота иммобилизованным азотом удобрений в среднем составило 154,8 % (табл. 2). В этом проявлении, иммобилизация азота удобрений в мерзлотной почве следует рассматривать, несомненно, как положительное явление, функционирование которого обеспечивало поддержание азотного фонда.

Таблица 2

Компенсация затрат выноса азота ¹⁴N мерзлотной почвы иммобилизованным азотом ¹⁵N удобрений, микрополевые опыты

Величина выноса и иммобилизации азота в почве в мг / сосуд.

Однако подобное наблюдалось не всегда. В благоприятных гидротермальных режимах мерзлотной почвы и высокой продуктивности зерновых культур (1997-2001 гг.) иммобилизация азота удобрений в этой почве не обеспечивала полную компенсацию затрат почвенного азота.

Процесс иммобилизации азота удобрений в почвах характеризуется высокими темпами, которые можно представить разными по характеру моделями [4, 5, 6]. Последние создают предпосылки для прогноза количественных параметров с определением кинетических характеристик этого процесса. Исходя из этого, в условиях вегетационного опыта изучена динамика процесса иммобилизации азота удобрений в лугово-черноземной мерзлотной почве с построением моделей этого процесса по экспоненте и вычленением скоростных показателей в виде кинетических констант (k).

Внесенный азот ¹⁵N удобрений включается в серию различных превращений, в результате которых через 10 дней происходит снижение его содержания в минеральной форме с одновременным и интенсивным процессом закрепления в органическом веществе этой мерзлотной почвы (табл. 3). Содержание азота ¹⁵N удобрения в минеральной форме к концу эксперимента снизилось до следовых величин, а максимальное его присутствие в органической форме отмечалось на 20 день после внесения и позднее стабилизировалось, составляя 55 мг / сосуд.

Таблица 3

Изменение содержания азота ¹⁵N удобрения в мерзлотной почве под растениями ячменя, вегетационный опыт, мг / сосуд

Во всех случаях снижение минерального азота ¹⁵N удобрения и закрепление в органическую форму аппроксимировалось по экспоненциальной регрессии. При этом, константа (k) скорости его снижения - k = 0,65 в сутки значительно превосходила аналогичную иммобилизации азота почвой - k = 0,105 в сутки. Принимая во внимание высокую иммобилизацию азота удобрений в почвах, можно констатировать, что высокая кинетика (k) снижения минерального азота удобрений обеспечивала высокую кинетику иммобилизации азота удобрения.

В целом при низком энергетическом состоянии мерзлотной почвы, последняя стремится повысить за счет иммобилизации при поступлении энергетических источников (азот удобрений), ослабляя тем самым целый комплекс негативных абиотических и биотических характеристик, подчиняясь фундаментальному принципу Ле-Шателье. В результате иммобилизованный азот выступает как мелиоративный эффект, благодаря которому отмечается поддержание азотного фонда почвы и снижение негативных экологических явлений.

Библиографический список

иммобилизация азот удобрение забайкалье

1. Куликов А.И. Мерзлотные почвы: экология, теплоэнергетика и прогноз продуктивности [Текст] / А.И. Куликов, В.И. Дугаров, В.М. Корсунов. - Улан - Удэ: БНЦ СО РАН, 1997. - 312 с.

2. Смирнов П.М. Вопросы агрохимии азота (в исследованиях с ¹⁵N) [Текст] / П.М. Смирнов. - М: ТСХА, 1982. - 74 с.

3. Семенов В.М. Биокинетическая индикация минерализуемого пула органического вещества почвы [Текст] / В.М. Семенов, Л.А. Иванникова, Т.В. Кузнецова [и др.] //Почвоведение. 2007. № 11. С.1352-1361.

Размещено на Allbest.ru