Влияние хлористого калия на эмиссию диоксида углерода из чернозема

ПОЧВЕННАЯ БИОЛОГИЯ

УДК 631.46:631.83

ВЛИЯНИЕ ХЛОРИСТОГО КАЛИЯ

НА ЭМИССИЮ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ИЗ ЧЕРНОЗЕМА

К.В. Павлов, Е.В. Клешканова, М.М. Новиков, Н.А. Манучарова

Для характеристики микробиологической активности чернозема в течение девяти месяцев прослеживали динамику эмиссии почвой углекислого газа (метод инициации микробной сукцессии). При использовании в качестве удобрения хлористого калия обнаружено двукратное снижение интенсивности этого процесса. В условиях вегетационного опыта с ячменем при внесении стандартных доз удобрений уменьшалось содержание в почве доступных для растений форм азота и особенно фосфора. Снижение количества легкорастворимых солей (прежде всего хлоридов и нитратов) в рамках незасоленной почвы после ее промывания повышало микробиологическую активность.

Ключевые слова: эмиссия диоксида углерода, микробная активность, калийное удобрение, хлористый калий.

Введение

Применение на черноземе в качестве калийного удобрения хлористого калия совместно с азотно-фосфорными может приводить к снижению биомассы растений [8]. Этот негативный эффект обнаружен впервые. Было выдвинуто предположение, что он может быть связан с падением уровня минерального питания растений вследствие влияния удобрений на функционирование микробного комплекса чернозема. При этом в аналогичных исследованиях на бедной дерново-подзолистой почве это явление отсутствовало [7].

Таким образом, цель настоящего исследования — изучение влияния хлористого калия на эмиссию диоксида углерода из чернозема. В наши задачи также входила оценка взаимосвязи микробиологической активности с некоторыми агрохимическими и химическими свойствами почвы.

Материалы и методы исследования

Объект исследований — смешанные почвенные образцы, отобранные из вегетационного опыта с внесением азотно-фосфорных (МР) и азотно-фосфор-но-калийных (МРК) удобрений. Опыт был заложен 30 апреля 2010 г., отбор почвенных образцов проведен 25 мая в фазу кущения ячменя. Почва — верхняя часть гумусово-аккумулятивного горизонта целинного обыкновенного чернозема из Каменной степи (Воронежская обл.), имеющая высокое содержание гумуса (8,1%) и нейтральную реакцию среды (рНсол 6,4), которые в опыте значимо не изменялись. По содержанию подвижных форм фосфора (11 мг Р2О5/100 г, метод Чирикова) почва относится к группе с повышенной (чуть выше средней), калия (25 мг К2О/100 г) —

к группе с очень высокой обеспеченностью. Необходимо отметить хорошую изученность свойств почв Каменной степи [2, 11]. Удобрения вносили в стандартной дозе — по 0,10 г/кг, азот — в виде аммиачной селитры, фосфор — двойного суперфосфата, калий — хлорида калия. Подробнее с условиями и результатами опыта можно познакомиться в публикации [8].

Диагностика многочисленных процессов в почвах наиболее четко может осуществляться по микробиологическим показателям, позволяющим выявить изменения на ранних этапах, которые не удается обнаружить другими методами. Особую актуальность представляют газохроматографические методы определения интенсивности процессов микробной трансформации важнейшего биофильного элемента — углерода (дыхание). Поэтому микробиологическую активность почвы оценивали по интенсивности эмиссии диоксида углерода. Для этого был проведен лабораторный эксперимент методом инициации микробной сукцессии [3, 5, 6]. Навеску почвы (5 г) в 8-кратной повторности для каждого варианта помещали в пе-нициллиновые флаконы и увлажняли 1,5 мл дистиллированной воды; их герметично закрывали и через сутки инкубации определяли накопление диоксида углерода в газовой фазе над образцами; после этого флаконы проветривали и снова инкубировали. Накопление диоксида углерода оценивали на 5-, 7- и 10-е сут. опыта. Эмиссию определяли газохромато-графическим методом: хроматограф с детектором по теплопроводности, длина колонки 3 м, наполнитель — Полисорб-1, скорость потока газа-носителя (Не) — 25 мл/мин.

Спустя месяц после начала опыта были добавлены еще два варианта, которые получали промыванием 5 г почвы из четырех повторностей каждого варианта 10 мл дистиллированной воды. Раствор после

Таблица 1

Динамика эмиссии CO2 почвы

Вариант Интервал измерений

Первичные — ОТ/ОТК 5—10 сут. 5—6 нед. 12—14 нед. 34—36 нед.

Промытые — (да/ОТК)пром — 4—10 сут. 8—10 нед. 38—40 нед.

Для всех вариантов 1 нед. 1 нед./1 мес. 2/3 мес. 8/9 мес.

промывания почвы высушивали при комнатной температуре для определения сухого остатка легкорастворимых солей с учетом нитратов. По окончании промывания влажность почвы во всех флаконах была выравнена и поддерживалась на первоначальном уровне, составляющем 60% от предельно полевой влажности, в течение всего эксперимента. Таким образом, через месяц в опыте было четыре варианта (МР, МРК, МРпром, МРКпром) по четыре повторности. После промывания измерения эмиссии диоксида углерода проводили на 4-, 6-, 8- и 10-е сут. Соответственно для первичных (не промытых) вариантов это интервал

4—10 сут. после начала опыта, а для промытых —

5—6-я неделя. Интервалы, в течение которых проводили измерения, представлены в табл. 1. Повторность измерений в интервалах также осталась 4-кратной (по суткам). Средние величины эмиссии внутри каждого интервала измерений значимо не отличались и были также усреднены. Это позволило снизить ошибку опыта и ввести условное обозначение (сокращение) сразу для всех вариантов для каждого интервала (в табл. 1 — в строке «для всех вариантов»).

Результаты и их обсуждение

Агрохимическая характеристика почвенных образцов представлена в табл. 2. Количество азота в форме нитратов — 14—15,6 мг (или 62—69 мг М0з)/100 г — превышает таковое, внесенное с азотными удобрениями перед посевом (10 мг N/100 г), в полтора раза, что указывает на интенсивную мобилизацию элемента из почвы с высоким содержанием органического вещества. В связи с этим нитраты в большей степени, чем хлориды (7,5 мг С1/100 г, или 0,0075%), внесенные с хлористым калием, будут определять увеличение общего содержания легкорастворимых солей в почве. В целинных черноземах Каменной степи содержание хлоридов — не более 0,002, а сухого остатка, представленного в основном гидрокарбонатом кальция, — 0,06% [2, 11]. Поэтому необходимо подчеркнуть, что почва не является засоленной даже по наиболее строгим критериям. Минимальное количество по хлоридам для градации слабозасоленной почвы по разным источникам составляет от 0,01 [1] до 0,05% [4]. Величина сухого остатка солей с учетом нитратов в почвенных образцах обоих вариантов не превысила 0,15%, или соответственно < 0,1% после их вычитания. Максимальная величина этого показателя для

незасоленной почвы без учета нитратов составляет от 0,3 [1] до 0,1% [4]. Также следует рассматривать содержание легкорастворимых солей в почве для данного периода вегетационного опыта близким к максимальным величинам, что и определило время отбора почвенных образцов для исследования. В дальнейшем, после фазы кущения растения начнут быстро набирать биомассу, интенсивно поглощать питательные и легкорастворимые соединения и снижать концентрацию почвенного раствора.

В результате внесения хлорида калия содержание подвижного калия (табл. 2) хотя и увеличивается почти на 3 мг К20/100 г, но находится на уровне высокой обеспеченности почвы этим элементом [9]. Снижение уровня доступных форм азота при внесении калийных удобрений можно считать незначительным по сравнению с их общим высоким содержанием. Более существенно то, что под влиянием внесенного хлорида калия снижается содержание подвижного фосфора. Обеспеченность почвы фосфором падает на градацию: с высокой до повышенной (близкой к средней). По-видимому, в данных условиях содержание подвижного фосфора в почве можно рассматривать как лимитирующий фактор для минерального питания растений и микроорганизмов. Следовательно, применение хлористого калия повышает содержание подвижного калия в почве, но снижает содержание минерального азота и особенно подвижного фосфора, т.е. может снижать уровень минерального питания растений. Однонаправленные изменения подвижности азота и фосфора непосредственно указывают на связь с микробиологической деятельностью, которая играет важную роль в мобилизации обоих элементов из органического вещества почвы. Оценка функционального биоразнообразия, численности и структуры микробного комплекса почв, проводимая на примере экосистем, находящихся даже в условиях залежи (выведена из сельскохозяйственного использования), показывает достоверное отличие вариан-

Таблица 2 Агрохимическая характеристика почвы, мг/100 г

Вариант Подвижные формы Минеральный азот

Р2О5 К2О N0^ ОТ-.

ОТ 15,1 19,4 15,6 1,2

МРК 11,6 22,3 14,0 0,9

Таблица 3

Динамика эмиссии СО2, мкмоль/г почвы • сут.

Вариант 1 нед. 1 нед./1 мес. 2/3 мес. 8/9 мес.

№ пром — 3,4 2,6 1,47

да 3,9 3,0 2,2 1,10

дак 2,7 1,4 1,0 0,57

дак 1-ЧА А^дром — 2,3 1,4 0,78

НСР0>05 0,7 0,5 0,4 0,2

Таблица 4 Динамика эмиссии СО2, % к варианту №

Вариант 1 нед. 1 нед./1 мес. 2/3 мес. 8/9 мес.

да пром — 116 134

да 100

дак 69 48

дак пром — 77 67

НСР0>05 17

тов самовосстановления (где ранее вносился комплекс полного минерального удобрения) от ненарушенной лесной экосистемы [10].

Как видно из табл. 3, с течением времени во всех вариантах опыта происходит закономерное снижение эмиссии диоксида углерода, а значит, и биологической активности почвы. Но для каждого варианта темпы этого снижения, т.е. разница значений эмиссии между соседними интервалами, различны. Так, величина эмиссии в варианте МР снижалась достаточно равномерно (на близкую величину разницы): за первый месяц — с 3,9 до 3,0 мкмоль/г почвы • сут., так же как и за два последующих — с 3,0 до 2,2 мкмоль/г почвы • сут. На варианте МРК снижение неравномерно: за первый месяц значения эмиссии диоксида углерода резко уменьшались с 2,7 до 1,4 мкмоль/г почвы • сут., а за два вторых месяца изменение происходило с меньшей интенсивностью — от 1,4 до 1,0 мкмоль/г почвы • сут. Но если сразу брать более длительный интервал наблюдений (3 мес.), то влияние подобных изменений нивелируется и разница между вариантами стабилизируется — 1,7 мкмоль/г почвы • сут. на обоих вариантах. Именно поэтому для получения устойчивого результата потребовалось провести столь длительные измерения — 9 мес.

При этом очень удобно анализировать данные, представленные в процентах к варианту МР, которые приняты за 100% (табл. 4). Относительные величины в динамике изменяются слабее, чем абсолютные, что хорошо видно по стабилизации относительной ошибки опыта на уровне 17%. Значения в соседних ин-

тервалах часто значимо не изменяются и их можно усреднить. Это позволяет сгладить возникающие неравномерности и упрощает анализ данных. Под влиянием хлорида калия произошло снижение биологической активности почвы в два раза. Промывание почвы водой и снижение концентрации легкорастворимых солей как в вариантах с внесением хлорида калия, так и в варианте с фоновым внесением азотно-фос-форных удобрений привело к увеличению биологической активности. Сопоставимость величин действия промывания на двух вариантах говорит о существенной роли нитратов в создании негативного эффекта. По-видимому, необходимо в целом рассматривать влияние легкорастворимых солей на эмиссию СО2. Это также подчеркивает определяющую роль иона хлора, а не калия, который прочно поглощается черноземом, в негативном эффекте от применения хлорида калия. Повышение эмиссии СО2 в варианте МРК после промывания тем не менее не компенсировало негативное действие хлорида калия даже до уровня значений в варианте МР без промывания. Устойчивость негативного эффекта после промывания может указывать на существенные изменения в микробном комплексе почвы. Несомненно, эта гипотеза нуждается в дальнейшей экспериментальной проверке.

Таким образом, негативное влияние хлорида калия на содержание доступных для растений форм азота и фосфора в черноземе связано как с негативным действием иона хлора на активность микроорганизмов, так и с усиливающим этот эффект повышенным содержанием нитратов в почве.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М., 1970.

2. Зборищук Ю.Н., Рымарь В.Т., Чевердин Ю.И. Состояние черноземов обыкновенных Каменной степи. М., 2007.

3. Звягинцев Д.Г. Почва и микроорганизмы. М., 1987.

4. Классификация и диагностика почв России / Под ред. Г.В.Добровольского. Смоленск, 2004.

5. Манучарова Н.А., Власенко А.Н., Менько Е.В., Звягинцев Д.Г. Специфика хитинолитического микробного комплекса в почвах, инкубируемых при различных температурах // Микробиология. 2011. Т. 80, № 2.

6. Манучарова Н.А., Степанов А.Л., Умаров М.М. Особенности микробной трансформации азота в водопрочных агрегатах почв разных типов //Почвоведение. 2001. № 10.

7. Павлов К.В. Оптимизация калийного питания ячменя при локальном внесении калийных удобрений // Агрохимия. 2009. № 2.

8. Павлов К.В., Новиков М.М. Влияние локального внесения калийных удобрений в чернозем на урожайность ячменя // Там же. 2013. № 4.

9. Практикум по агрохимии / Под ред. В.Г. Минеева. М., 2001.

10. Сазонов С.Н., Манучарова Н.А., Горленко М.В., Ума-ров М.М. Естественное восстановление микробиологических свойств дерново-подзолистой почвы в условиях залежи // Почвоведение. 2005. № 5.

11. Щеглов Д.И. Черноземы центра Русской равнины и их эволюция под влиянием естественных и антропогенных факторов. М., 1999.

Поступила в редакцию 10.11.2014

POTASSIUM CHLORIDE EFFECTS

ON CARBON DIOXIDE EMISSION FROM CHERNOZEM

K.V. Pavlov, E.V. Kleshkanova, M.M. Novikov, N.A. Manucharova

Carbon dioxide emission from soil was assessed in the dynamics for nine months by the method of microbial succession initiation and characterised soil microbial activity. It was found a twofold decrease of carbon dioxide emission in the fertile chernozem when potassium chloride used as potash fertilizer. This negative effect was observed in the greenhouse experiment with barley under application of standard fertilizer doses and reduced soil available forms of nitrogen and phosphorus in particular. Microbial activity was raised by decreasing the amount of soluble salts (first of all, chlorides and nitrates) from non-saline soil after leaching.

Key words: carbon dioxide emission, microbial activity, potash fertilizer, potassium chloride.

Сведения об авторах

Павлов Кирилл Васильевич, канд. биол. наук, ассистент каф. агрохимии и биохимии растений ф-та почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова. E-mail: kirvpav@yandex.ru. Клешканова Елизавета Владимировна, студентка каф. агрохимии и биохимии растений ф-та почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова. E-mail: kleshkanchik@mail.ru. Новиков Михаил Михайлович, аспирант каф. агрохимии и биохимии растений ф-та почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова. E-mail: mix_snz@mail.ru. Манучарова Наталия Александровна, докт. биол. наук, доцент каф. биологии почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова. Тел.: 8(495) 939-34-05; e-mail: manucharova@mail.ru.