Использование растениями минерального азота из разных горизонтов дерново-подзолистой почвы

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАСТЕНИЯМИ МИНЕРАЛЬНОГО АЗОТА ИЗ РАЗНЫХ ГОРИЗОНТОВ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ

В.В. Кидин, Е.О. Гущина, В.В. Зенкина

Кафедра агрономической и биологической химии

Исследованиями в различных почвенно-климатических зонах (Акулов, Лукин, 1996; Гамзиков, 2005) установлено, что количественная и качественная оценка содержания минерального азота в почве и использования его сельскохозяйственными растениями дает возможность более точно определить оптимальные дозы азотных удобрений и скорректировать сроки их внесения с учетом погодных условий, предшественника, плодородия почвы и планируемой урожайности. До настоящего времени остаются дискуссионными сроки и глубина отбора образцов при осуществлении почвенной диагностики содержания минерального азота под посевами. По нашему мнению, причина противоречивых результатов заключается в том, что лабильное соотношение аммонийной и нитратной форм азота в почве, вызванное постоянно протекающими в ней процессами аммонификации, нитрификации и денитрифи-кации, а также неодинаковая их доступность растениям из разных горизонтов почвы делают в методическом аспекте невозможным определение реальных коэффициентов использования разных форм минерального азота почвы без применения стабильного изотопа.

Задачей настоящей работы было изучение с помощью стабильного изотопа 15М путей трансформации аммонийного и нитратного азота в разных горизонтах дерново-подзолистой почвы и размера его потребления кормовой свеклой в зависимости от глубины расположения в почвенном профиле.

Исследования проводили на дерново-подзолистой среднесуглинистой хорошо окультуренной почве полевой опытной станции РГАУ-МСХА в мелкоделяночных опытах, которые размещали непосредственно в хозяйственных посевах кормовой свеклы «Тимирязевская-87» площадью 0,4-0,6 га в 4-кратной повторности с соблюдением общепринятой для Московской области технологии возделывания свеклы.

Содержание минерального азота в почве определяли ежегодно перед закладкой опытов послойно через каждые 20 см до глубины 100 см. Для изучения размера использования растениями минерального азота, содержащегося перед посевом кормовой свеклы в разных почвенных горизонтах (слоях), его метили небольшим количеством стабильного изотопа 15М путем локального внесения на глубину 10, 30, 50, 70 и 90 см (в середину каждого из 5 слоев почвы: 0-20 см, 20-40, 40-60, 60-80 и 80-100 см) раствора сульфата аммония - (15КН4)2804 или натриевой селитры - с высоким обогащением

^ (95-97 атом. %) из расчета 10 кг/га 15:Ы-ЫН4 и N0^ что составляло в среднем 7% от содержания минерального азота в метровом корнеобитаемом слое почвы. Минеральный азот почвы метили следующим образом: на каждой опытной делянке с кормовой свеклой площадью 4,2 м2 (2,1 х 2 м) с помощью металлического стержня диаметром 8 мм делали 49 отверстий на 1 м2, расположенных для равномерного распределения метки в шахматном порядке на расстоянии 14 см, и на дно каждого отверстия с помощью шприца-дозатора и пластико-

вой удлинительной трубки вносили по 5 см3 раствора меченных N сульфата аммония - (15NH4)2SÜ4 или натриевой селитры - (Na15NO3) необходимой концентрации, после чего отверстия засыпали почвой соответствующего слоя и уплотняли.

Для удовлетворения потребности растений свеклы в течение вегетации в элементах питания, в качестве общего фона применяли азотные и фосфорно-калийные удобрения в дозе N140P120K160. Фосфорные и калийные удобрения (Рдв и Кх) вносили осенью под вспашку зяби, азотные (Naa) - весной под культивацию перед посевом. Свеклу высевали в первой декаде мая, уборку и учет урожая корнеплодов и листьев (ботвы) проводили во второй декаде сентября. Для анализа изотопного состава азота почвенные и растительные образцы отбирали из среднего рядка (ширина 0,7 м, длина 2 м), а два крайних служили в качестве защитных полос. Минеральный азот почвы (аммонийный и нитратный) экстрагировали 0,1н KCl с последующим его определением в щелочной среде по Деварду. Для определения размера иммобилизации внесенного меченого азота, после уборки растений ежегодно отбирали почвенные образцы из слоев 0-20, 20-40, 40-60, 60-80 и 80-100 см. Содержание общего азота в почве и растениях определяли методом мокрого озоления по Кьельдалю-Иодельбауэру. Анализ изотопного состава азота проводили на масс-спектрометре МИ-1201В в лаборатории азотных удобрений ВИУА (ВНИ-ИА). Избыток содержания 15N в азоте почвы или растений находили по разности между обогащением 15N образца и естественным природным содержанием I5N (0,367 атом. %). Коэффициент использования минерального азота свеклой и размер закрепления его в почве рассчитывали исходя из общего содержания азота и избытка атомного процента 15N в растениях и почве.

Результаты и их обсуждение. Установлено, что внесение в разные слои почвенного профиля небольшой дозы азота (из расчета 10 кг/га) меченных 15N сульфата аммония и натриевой селитры по фону N140P120K160 (контроль) практически не влияло на урожай кормовой свеклы - в среднем за 3 года урожай сырой массы корнеплодов составил 25,3 кг/делянку (602 ц/га), ботвы - 8,7 кг/делянку (207 ц/га). В вариантах с внесением 10 кг/га меченого азота в отдельные горизонты почвы до посева по фону N140P120K160 урожай сырой массы корнеплодов составлял 25,2-27,0 кг/делянку (601-646 ц/га), ботвы -8,4-10,0 кг/дел. (201-237 ц/га).

Урожай сухой массы (табл. 1) корнеплодов и ботвы по фону N140P120K160 составлял, соответственно 3,16 и 1,25 кг/делянку. В вариантах с дополнительным внесением 10 кг/га меченного 15N азота сульфата аммония и натриевой селитры в разные слои почвы сухая масса корнеплодов колебалась в пределах 3,15-3,33 кг/делянку, ботвы - 1,24-1,40 кг/делянку. При этом достоверная прибавка урожая от внесения 10 кг/га меченого азота до посева отмечена лишь в варианте с внесением сульфата аммония в слой почвы 20-40 см.

1. ^ Урожай ^ сухой массы кормовой свеклы и вынос азота

Внесение N в слой почвы по фону

Корнеплоды

масса, кг/делянку общий азот, %

Ботва

масса, кг/делянку общий азот, %

Вынос азота растениями. г/делянку

Всего

"Т5

N

1. Фон N^120^60

3,16

1,41

1,25

2,79

79,4

2. 0-20 см

3,23* 3,26

1,47 1,45

1,27 1,33

2,83 2,90

83,4 85,8

3. 20-40 см

3,33 3,35

1,53 1,52

1,30 1,40

2,88 2,84

88,3 90,5

4. 40-60 см

3.31

3.32

1,51 1,46

1,29 1,34

2,91 2,86

87,5 86,8

5. 60-80 см

3,15 3,20

1,40 1,44

1,26 1,30

2,84 2,87

79,7 83,3

6. 80-100 см

3,19 3,16

1,41 1,47

1,28 1,24

2.83

2.84

81,2 81,7

НСР0

0,26 0,28

0,11 0,10

*В числителе - в знаменателе -

0,15 0,18

0,13 0,15

Общий вынос азота растениями колебался в пределах 79-90 г/делянку (190-214 кг/га) и во всех вариантах был довольно близким. Увеличение выноса общего азота свеклой как при внесении 10 кг/га азота меченого сульфата аммония, так и натриевой селитры по сравнению с контролем наблюдалось лишь из подпахотного слоя 2040 см (табл. 1). Несмотря на недостоверность прибавки урожая и выноса азота кормовой свеклой в других вариантах, в них четко просматривается тенденция снижения урожая и выноса общего азота растениями при внесении меченного сульфата аммония и натриевой селитры в нижние слои почвенного профиля по сравнению с пахотным и ближайшим подпахотным слоем.

На основании выноса общего азота растениями и его изотопного состава определены размеры потребления кормовой свеклой аммонийного и нитратного азота из разных слоев дерново-подзолистой почвы. Установлено, что использование растениями минерального азота, содержащегося перед посевом свеклы в разных горизонтах, в значительной мере зависит от глубины его расположения в почвенном профиле. Наиболее высокий размер потребления свеклой меченного аммонийного и нитратного азота почвы наблюдалось из подпахотных горизонтов 20-40 и 40-60 см, что обусловливается, по-видимому, особенностями морфологического строения ее корневой системы. Вынос минерального азота почвы растениями из более глубоких горизонтов находился в обратной зависимости от глубины его расположения. Минеральный азот

нижележащих слоев почвы был менее доступен растениям. В среднем за 3 года использование кормовой свеклой, содержащегося перед посевом аммонийного и нитратного азота почвы из пахотного (0-20 см) и подпахотного (20-60 см) горизонтов было, соответственно в 2-2,6 и 3-3.7 раза выше, чем из слоя почвы 80-100 см (см. табл. 1).

Учитывая количество внесенного меченного азота сульфата аммония и натриевой селитры (4 г/делянку), вынос его растениями и количество закрепленного азота в почве, были определены коэффициенты использования кормовой свеклой разных форм минерального азота из отдельных горизонтов почвы и его баланс (табл. 2). Установлено, что использование минерального азота растениями зависело от глубины его пространственного расположения в корнеобитаемом слое почвы и в меньшей степени от формы азота. Наиболее высокие коэффициенты характерны для пахотного и ближайшего подпахотного слоев, для более глубоких горизонтов они были значительно ниже. В среднем за 3 года коэффициент использования растениями содержащегося перед посевом в пахотном горизонте почвы нитратного азота составил 36% и был на 4% выше, чем аммонийного.

Коэффициенты использования растениями аммонийного и нитратного азота из подпахотных слоев почвы 2040 и 40-60 см были близкими и составляли, соответственно 41-43% и 43-45%. Размер использования минерального азота кормовой свеклой из более глубоких (60-80 и 80100 см слоев почвы) были в 1,5-3,7 раза ниже, чем из па-

2. Баланс меченного аммонийного и нитратного азота почвы

Внесение в слой почвы Коэффициенты использования Закрепилось в почве Дефицит азота

по фону N^120^60 свеклой минерального азота почвы

0-20 см 32* 38 30

36 33 31

20-40 см 43 30 27

45 26 29

40-60 см 41 22 37

43 17 40

60-80 см 28 18 54

26 11 63

80-100 см 16 14 70

12 9 79

0-100 см 31 24 45

33 19 48

*В числителе - (15ЫН4)2804; в знаменателе - №15Ы03.

хотного и ближайших подпахотных горизонтов. Более высокие коэффициенты использования почвенного минерального азота растениями из слоя почвы 20-60 см по сравнению с верхним (0-20 см) и глубокими подпахотными слоями обусловлены расположением корневой системы кормовой свеклы в этих слоях почвы и слабой миграцией в весенний период минерального азота из нижних горизонтов почвы вверх по профилю.

Использование нитратного азота из пахотного (0-20 см) и подпахотного горизонтов (20-60 см) почвы было несколько выше аммонийного. Из более глубоких горизонтов почвы (60-100 см) кормовая свекла, напротив, лучше использовала аммонийный азот, чем нитратный, что может быть связано с сохранением аммонийного азота в почве в поглощенном состоянии и последующим использованием его растениями по мере их роста и развития. Более низкие коэффициенты использования нитратного азота, содержащегося в глубоких слоях почвы, обусловлены, вероятно, значительными его потерями в результате денитрификации и вымывания нитратов за пределы корнеобитаемого слоя в весенний период. В целом, коэффициенты использования аммонийного и нитратного азота почвы в слое 0-60 см были довольно близкими и составляли, соответственно 39 и 41%, а в слое 60-100 см - 31% и 33%.

Установленные с помощью изотопного метода коэффициенты использования растениями аммония и нитратов из отдельных горизонтов почвы (табл. 2) позволили определить средневзвешенный вынос азота растениями с учетом содержания 15N-NH4 и в каждом слое.

Несмотря на существенные колебания погодных условий, урожайности и содержания аммонийного и нитратного азота в разных слоях почвенного профиля, в среднем за 3 года из 136 кг/га минерального азота, содержащегося перед посевом в корнеобитаемом слое почвы (0100 см), кормовая свекла использовала примерно 1/3 (44 кг/га). При этом более 2/3 выноса растениями азота почвы приходится на слой почвы 0-60 см.

До настоящего времени почвенную диагностику минерального питания сельскохозяйственных культур проводят без дифференцированного учета доступности отдельных элементов питания из разных горизонтов почвы. Это позволяет сделать заключение, что сложившееся в агрохимической практике мнение об идентичности путей трансформации и доступности растениям минерального азота почвы и удобрений справедливо лишь в пределах одного и того же пахотного слоя. Превращение минерального азота в подпахотных горизонтах по сравнению с пахотным имеет свои особенности, которые следует учитывать при проведении диагностики азотного питания, разработке системы удобрений и мероприятий по охране окружающей среды.

Наряду с использованием минерального азота из разных горизонтов почвы растениями, часть его (9-38%) закреплялась в органическом веществе почвы и значительная часть (27-79%) терялась в процессе вымывания нитратов и денитрификации. В среднем за 3 года около 38% аммонийного и 33% нитратного азота, содержащегося перед посевом свеклы пахотном горизонте почвы, и соответственно 30 и 26% минерального азота подпахотного слоя закреплялось в почве (табл. 2). Размер иммобилизации аммонийного и нитратного азота более глубоких слоев почвы был значительно ниже и составлял

соответственно для отдельных слоев почвы 40-60 см -22 и 17%, 60-80 см - 18 и 11% и 80-100 см - 14 и 9%. Средневзвешенный размер закрепления в корнеобитае-мом слое (0-100 см) почвы аммонийного азота составил 24%, нитратного -19%.

Весьма актуален как в теоретическом, так и практическом аспектах вопрос о миграции минерального азота в течение вегетации в пределах почвенного профиля. Локальное внесение (15:ЫН4)2804 и №15Ш3 на глубину 10, 30, 50, 70 и 90 см в качестве метки позволило определить характер распределения иммобилизованного азота в разных горизонтах почвенного профиля в зависимости от глубины нахождения меченого аммонийного и нитратного азота перед посевом кормовой свеклы. При локальном внесении :^-ЫН4 и ^N-N03 большая часть от суммы иммобилизованного в почве аммонийного и нитратного азота находилась в слое внесения метки, и довольно значительная часть закреплялась в смежных слоях почвенного профиля. Перераспределение меченого азота из зоны его первоначального размещения в верхние и нижние слои почвы является следствием миграции нитратов по профилю почв, а также отмирания определенной части корневой системы растений. Из общего количества иммобилизованного в почве азота при внесении :^-ЫН4 в пахотный слой в среднем за 3 года в нем закрепилось 73%, а слое 20-40 см - 27%.

Меченый аммонийный азот, содержащийся перед посевом на глубине 20-40 см, также большей частью (68%) закреплялся в пределах этого же слоя. Иммобилизация меченого минерального азота этого слоя в пахотном горизонте и нижележащем слое почвы 40-60 см составляла соответственно 5 и 28%. Размер иммобилизации аммонийного азота, содержащегося перед посевом в более глубоких горизонтах составил в слое его первоначального расположения 55-65% и 35-45% от суммы закрепленного минерального азота в почве обнаруженного в верхних и нижних горизонтах почвенного профиля.

Аналогичная закономерность распределения иммобилизованного азота по профилю почвы характерна также для 15Ы-М03. Однако в отличие от аммонийного азота закрепление азота нитратов в нижних слоях почвы, относительно его первоначального нахождения перед посевом, было несколько выше, что связано, по-видимому, со свободной миграцией их по профилю почвы.

Таким образом, характер распределения иммобилизованного аммонийного и нитратного азота в профиле дерново-подзолистой почвы позволяет сделать заключение, что в результате биологических процессов, протекающих с разной интенсивностью и направленностью в отдельных горизонтах, в почве происходит перераспределение (делокализация) довольно значительной части минерального и реминерализо-ванного азота в другие горизонты почвенного профиля. При этом можно полагать, что наиболее важная роль в делокализации меченого азота в почве принадлежит корневой системе растений.

Внесение на разную глубину почвенного профиля С5МИ4)2^04 и Ма15М03 в качестве метки содержащегося в почве перед посевом аммонийного и нитратного азота позволяет определить особенности внутрипочвен-ной трансформации минерального азота в отдельных горизонтах, размер использования растениями и текущей минерализации азота почвы в течение вегетации.