Биокинетический цикл азота в системе почва - удобрение - растение в условиях Забайкалья (стр. 2 )

Таблица 3. Кинетика превращений азота удобрений в системе почва - растение

Почва	Константа скорости (k) перехода азота
минеральный	использованный	закрепленый	неучтенный
Каштановая	0.867 сутки -1	0.673 в сутки	0.449 в сутки	0.255 в сутки
Чернозем южный	0.665 сутки -1	0.518 в сутки	0.383 в сутки	0.236 в сутки
Серая лесная	0.759 сутки -1	0.723 в сутки	0.103 в сутки	0.067 в сутки
Лугово - черноземная	0.865 сутки -1	0.374 в сутки	0.105 в сутки	0.386 сутки -1

Доказано, что кинетической предпосылкой положительного азотного баланса в системе почва - удобрение - растение выступала высокая константа скоростей (k) использования и иммобилизации азота удобрений, величины которых в свою очередь обеспечивались высокой кинетикой (k) присутствия минерального (15N) удобрений в почвах. Значения последней, независимо от различий азотного фонда почв и гидротермических условий, по модулю превышали константы (k) скорости превращений при схожем их характере. Причем, если константа (k) снижения минерального азота не имела существенных различий по почвам, то кинетика (k) дальнейших превращений была различной: наибольшей скоростью усвоения отличались серые лесные, иммобилизации - каштановые, а минимальной по закреплению азота - лугово-черноземные почвы.

Экспоненциальный характер превращений азота удобрений свидетельствует о высокой чувствительности системы почва - растение на поступление извне дополнительных источников энергии, для которой характерно наличие очень возбудимых процессов формирования минерального, поглотительного и ассимиляционного азотного пула с различиями в скоростных характеристиках.

Основные характеристики баланса азота удобрений в почвах Забайкалья подтвердилась при сопоставлении с аналогичными данными для европейской части России и Западной Сибири. Выявлено, что с усилением экстремальности режимных процессов снижается усвоение и возрастает иммобилизация азота с высоким разбросом величин неучтенного азота. В этом сравнении использование азота удобрений зерновыми культурами снижалось с продвижением от европейской части (41.5%) к Западной Сибири (32.4%) и Забайкалью (24.9%), а иммобилизация, наоборот, возрастала: европейская часть (31.1%) → Западная Сибирь (46.9%) и Забайкалье (45.9%).

Индекс доступности азота удобрений. Обобщающим критерием в оценке превращений азота удобрений является «индекс» доступности азота. При этом, чем ближе его величина к единице или превышает таковую, тем в меньшей мере потребление азота лимитируется иммобилизацией в почвах или его потерями, а значит более вероятно достижение высокой эффективности применения азотных удобрений (Семенов,1996,1999). Согласно полученным данным, «индекс» доступности азота снижался в ряду: серые лесные → чернозем южный → лугово-черноземные → каштановые, отражая низкую доступность растениям, вызванную высокой иммобилизацией азота в почвах (табл.4).

Таблица 4. Индекс доступности азота удобрений в системе почва - растение

Регион	Кашта- новая	Чернозем южный	Серая лесная	Лугово- черноземная	Дерновоподзолистая
Забайкалье	0.23	0.35	0.51	0.34*	-
Западная Сибирь	-	038**	0.59	0.95	0.20
Европейская часть	0	0	0	0	0

Примечание: * лугово-черноземная мерзлотная; ** чернозем выщелоченный.

Анализ литературного массива данных позволил выявить, что этот «индекс» в почвах других регионов выше и достижение высокой эффективности азотных удобрений в Западной Сибири (n =43) лимитировалось иммобилизацией, а в европейской части (n =127) - долей неучтенного азота или величиной его потерь.

Использование растениями азота удобрений

Размеры использования азота удобрений является ключевым в обосновании эффективного и экологически безопасного применения азотных удобрений (Смирнов,1977;Кудеяров,1989; Гамзиков,1981;Лаврова,1992;Соколов, Семенов,

1992; Семенов,1996,1999; Никитишен,2003,2007).

Истинные коэффициенты усвоения азота удобрений в вегетационных опытах значительно выше микрополевых, а их различия определялись биологическими особенностями растений (табл.5). Максимальные коэффициенты наблюдались на серой лесной почве и минимальные на каштановой с наибольшим усвоением азота удобрений овсом (48.5 ± 1.3%) и наименьшим - ячменем (26.1 ± 2.5%).

Выявленные зависимости подтвердились и в условиях микрополевых опытов. Наибольшие коэффициенты использования наблюдались на серой лесной почве у овса (38.8 ± 5.8%), а у пшеницы (13.9 ± 2.1%) на каштановой почве и ячменя (13.4 ± 0.5%) на черноземе южном оказались минимальными. Установлено, что с улучшением увлажнения и азотного фонда почв отмечалось более высокое усвоение азота удобрений растениями. Причем, чем лучше обеспеченность азотом и менее напряжены гидротермические условия, тем выше коэффициенты использования азота.

Таблица 5. Коэффициенты использования азота удобрений, % от внесенного

Почвы	N общий, %	К увлаж.	Пшеница	Ячмень	Овес
Вегетационные опыты, n = 4
Каштановая	0.137 ± 0.04	60 - 70% ПВ	28.1 ± 2.4	26.1 ± 2.5	36.1 ± 2.8
Чернозем южный	0.220 ± 0.02	33.5 ± 1.5	31.5 ± 1.7	45.3 ± 2.1
Серая лесная	0.168 ± 0.08	42.1 ± 1.8	38.2 ± 1.4	48.5 ± 1.3
Лугово-черноземная	0.433 ± 0.06	37.6 ± 2.2	32.5 ± 2.1	44.0 ± 3.1
Микрополевые опыты, n = *
Каштановая	0.	0	13.9 1	17.6 1	25.5 1
Чернозем южный	0.	0	21.4	13.4 1	42.3 3
Серая лесная	0.	1	31.7 1	31.2 2	38.8 2
Лугово - черноземная	0.	0	19.4 1	20.5 1	36.0 2

* Примечание: числитель - средние величины, знаменатель - пределы величин.

Выявленные коэффициенты использования азота удобрений оказались значительно ниже аналогичных величин полученных в Западной Сибири (Гамзиков и др.,1985) и европейской части страны (Кореньков,1976;Смирнов,1982;Кудеяров

,1989;Муравин,1991;Лаврова,1992;Кидин,1993;Семенов,1996,1999). Различия в динамике усвоения азота удобрений, обусловленные биологическими особенностями культур, наиболее четко проявлялись в условиях вегетационных опытов. Овес отличался запаздыванием усвоения азота удобрений в сравнении с ячменем и пшеницей в связи с замедленным развитием на начальных этапах онтогенеза. Однако позднее поглощение азота овсом поступательно возрастало, а у пшеницы и ячменя - стабилизировалось. В результате кинетика (k, в сутки) усвоения азота удобрения овсом была выше (k = 0., чем пшеницей (k = 0.и ячменем (k = 0.Как следствие, высокая скорость (k) усвоения азота удобрений сопровождалась и повышенными коэффициентами использования.

Аналогичного соответствия скоростных параметров усвоения азота удобрений растениями на разных почвах с величинами использования не наблюдалось. Если на серой лесной почве высокая константа (k) скорости поглощения (k = 0.679-0.723 в сутки) сопровождалась наибольшим использованием (табл.5), то на каштановой высокая кинетика усвоения (k = 0.в сутки) - значительно меньшими коэффициентами, тогда как на лугово - черноземной почве (k = 0.374-0.633) и черноземе южном (k = 0.в сутки) сравнительно меньшая кинетика поглощения сопровождалась высоким использованием элемента. Соответственно, определяющим критерием в усвоении растениями азота удобрений на изучаемых почвах выступали не скоростные характеристики, а различия азотного их режима и, в основном, по доступному минеральному азоту, на фоне которых и проявились биологические различия культур в величине и скорости усвоения.

Подобное наблюдалось при оценке кинетики поглощения почвенного азота: константа (k, в сутки) скорости у овса была выше (k = 0., чем у пшеницы (k = 0.и ячменя (k = 0.Это указывает на сопоставимость скоростных параметров усвоения азота удобрений и почв в зависимости от биологических особенностей культур, а экспоненциальный характер указывает на высокую чувствительность процесса при внесении азотных удобрений с близкой к функциональной (r→1) зависимостью. По этим признакам выявлена сильная и статистическая значимая теснота связи параметров усвоения и выноса азота, которая возрастала соответственно росту надземной массы при значительно большей доле участия азота почв в общем выносе.

Доказано, что наибольшее использование азота удобрений наблюдались при благоприятном увлажнении агроценозов: независимо от типа почв теснота (r) связей с осадками повсеместно была высокой и значимой (tф > tst), с запасами продуктивной влаги в почвах - доказанной (tф > tst) только на серых лесных почвах, не выявленной (tф = tst) на каштановых и не доказанной (tф < tst) на черноземах; с температурами воздуха и почв повсеместно слабой и статистически не доказанной. Как следствие, высокая продуктивность зерновых культур при внесении азотных удобрений обеспечивалась сильной теснотой связи (r) с использованием азота удобрений и осадками при высокой сопряженности в общей совокупности этих признаков (R = 0.

Установлено, что внесение азотных удобрений способствовало увеличению подвижности азота почв («экстра» - азот), усвоение которого возрастало в ряду: каштановая (25 мг) → чернозем южный (40 мг) = лугово-черноземная (40 мг) → серая лесная (67 мг) при очень высокой вариабельности. Направленность процесса менялась в обратном ранжировании при регистрации по времени: серая лесная (на 20 день) → лугово-черноземная (30 день) → чернозем южный (40 день) → каштановая (60 день). При этом доля «экстра» - азота в общим выносе, независимо от биологических особенностей растений, в среднем снижалась в ряду: серая лесная (22.8%) → чернозем южный (18.4%) → каштановая (12.1%) → лугово-черноземная мерзлотная (11.6%). Отсюда, чем ниже обеспеченность почв нативным азотом и ярче криоаридность режимов, тем слабее его подвижность и ниже доступность при внесении азотных удобрений и наоборот.

Учитывая выявленную роль основных источников азотного питания в формировании товарной продукции культур при внесении азотных удобрений, можно составить следующий возрастающий ряд: «экстра»-азот → азот удобрений → почвенный азот при снижении устойчивости величин в обратном ранжировании. Доля участия азота удобрений и азота почв в общем выносе элемента определялась биологическими особенностями культур и состоянием увлажнения: у пшеницы и ячменя была близкой к 1/2 : 1/2 при смещении в сторону почвенного при благоприятном увлажнении, а по овсу в их соотношении близким к 1/3 : 2/3 с доминированием почвенного, независимо от характера увлажнения.

С применением 15N выявлены различия изотопного и разностного коэффициентов использования азота удобрений, параметры последнего были выше в условиях хорошего увлажнения и высокой продуктивности культур. Тогда как при дефиците увлажнения и низкой продуктивности они оставались статистически не значимыми. Биологические особенности культур могут оказывать влияние на определение коэффициентов использования азота удобрений.

На основе сопряжённости данных по использованию азота удобрений, определяемых изотопным (у) и разностным (х) методами, предложены модели корректировки последнего для зерновых культур в виде прямой линейной регрессии по основным типам почв: для каштановой - у = 5.57 + 0.456х (1), чернозема

южного - у = 6.84 + 0.480х (2), серой лесной - у = 17.76 + 0.314х (3) и лугово-чернозёмной – у =12.2 + 0.293х (4).

Иммобилизация азота удобрений в почвах

Современные представления о природе и составе иммобилизованного азота удобрений в почвах базируются на фундаментальных исследованиях с 15N, согласно которым характер и направленность внутрипочвенных превращений определяют его оборачиваемость (Смирнов,1977;Гамзиков,1981;Кудеяров,1985;

Лаврова,1992;Семенов и др.,2006,2007;Кузнецова и др.,2007;Jansson,1958; Paul,

Jumma,1981;Broadbent,1986;Jensen,1997;Dejoux et al.,2000;Janzen et al.,2003;Stei-

nbach et al.,2004;Peterson et al.,2005). Иммобилизованный азот в почвах является ключевым параметром цикла превращений азота и находится в высокой тесноте связи с процессами (ре) минерализации, результирующая которых формирует нетто - минерализационный и иммобилизационный азотные пулы.

Размеры иммобилизации азота. Результаты исследований позволяют констатировать высокую иммобилизацию азота удобрений в сезонномерзлотных и мерзлотной почвах, параметры которой снижались в ряду: лугово - черноземная (53.3 ± 1.3%) → серая лесная (47.9 ± 1.5%) → чернозем южный (41.1 ± 2.5%) = каштановая (41.1 ± 1.4%) при слабом их разбросе вокруг математического ожидания (табл.6).

Таблица 6. Содержание иммобилизованного азота в почвах, % от внесенного

Почвы	Осадки, мм	M ± m	lim	σ	M ± t0.95m	V,%
Каштановая	223.1 ± 18.7	41.1 ± 1.4	3	4.1	3	9.98
Чернозем южный	270.9 ± 52.6	41.1 ± 2.5	3	6.0	3	14.6
Серая лесная	318.9 ± 23.5	47.9 ± 1.5	3	4.8	4	10.0
Лугово - черноземная	279.9 ± 18.6	53.3 ± 1.3	4	3.8	5	7.13

В этой оценке размеры иммобилизации азота в сезонномерзлотных и мерзлотных почвах значительно выше, чем в почвах европейской части страны (Кореньков,1976;Смирнов,1977;Кудеяров,1989;Руделев,1992;Лаврова,1992; Кидин,