АГРОХИМИЯ, 2007, № 10, с. 5-13
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ Плодородие почв
УДК 631.4453 : 631.416.1: 631.432.2
ГАЗООБРАЗНЫЕ ПОТЕРИ И ТРАНСФОРМАЦИЯ МИНЕРАЛЬНОГО АЗОТА В ПАХОТНОЙ БУРОЗЕМНОЙ ПОЧВЕ В ЗАВИСИМОСТИ
ОТ ВЛАЖНОСТИ*
© 2007 г. И. Н. Курганова1, В. О. Лопес де Геренш1, Р. Велл2, Н. Лофтфильд2, X. Флесса2
1Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН 142290 Пущино, Московская область, Россия E-mail: ikurg@itaec.ru; ikurg@mail.ru 2Институт почвоведения и питания леса, Геттингенский университет Бюнгесвег, 2, 37077 Геттинген, Германия Поступила в редакцию 26.12.2006 г.
Газообразные потери азота удобрений из почв и особенности трансформации азотных соединений изучали в лабораторном модельном эксперименте на пахотной буроземной почве при трех уровнях увлажнения, соответствующих 55, 75 и 85% от ППВ. Было показано, что потери азота в форме ^О были весьма незначительны и составляли 0.05-0.08% от вносимого с удобрениями азота при низком и среднем уровне влажности. В почве повышенной влажности вследствие активно протекающих процессов денитрификации на их долю приходилась весьма значительная величина - 5.27%. Однако в течение первых двух суток эксперимента 91-97% внесенного с удобрениями аммонийного азота перешло в нитратную форму в почвах всех уровней влажности, указывая на протекание процессов нитрификации. Азот микробной биомассы представлял собой наиболее подвижный пул почвенного азота, активно участвующий в процессах иммобилизации-реминерализации и денитрификации.
ВВЕДЕНИЕ
Применение минеральных азотных удобрений для повышения урожайности сельскохозяйственных культур играет ключевую роль в практике сельскохозяйственного производства. Эффективность их использования зависит от множества факторов, основными из которых, помимо типа выращиваемой культуры, формы, дозы и времени внесения самого удобрения, являются температурно-влажностной режим почвы и интенсивность мине-рализационно-иммобилизационных процессов [1]. Было найдено, что растения используют не более 50% вносимого азота нитратов, а остальная его часть закрепляется в составе органического и минерального вещества почвы, иммобилизуется в клетках микроорганизмов или теряется в результате процессов денитрификации и вымывания в грунтовые воды [2, 3]. Процессы иммобилизации азота в органическую форму так же, как и процессы минерализации протекают в почве постоянно, причем аммонийный азот участвует в этих процессах более активно, нежели нитратный [3]. Исследованиями Кащенко и Федорова [4] было показано, что уже через 10 сут в органическом веществе почвы закрепляется до 48% азота от внесенной дозы. Иммобилизованный азот удобрений первона-
* Работа выполнена при поддержке Немецкого фонда академических обменов (ДААД), Российского фонда фундаментальных исследований (проект < 06-04-48527), Программы Президиума РАН < 16 и гранта Научная школа.
чально представляет собой "активную" фазу органического вещества почвы, а затем вовлекается и в состав относительно стабильных фракций, устойчивых к микробиологическому разложению [5, 6].
Процессы иммобилизации N почвенными микроорганизмами оказывают значительное влияние на содержание органического и минерального азота в почве, а следовательно, на питание и продуктивность растений [7, 8]. Микробная иммобилизация азота осуществляется вследствие поступления N в аммонийной, нитратной или амин-ной форме внутрь микробных клеток за счет его дальнейшего вовлечения в синтез внутриклеточных высокомолекулярных соединений [9, 10] или без дальнейшего вовлечения N в процессы внутриклеточного синтеза во избежание "осмотического шока" в присутствии высоких концентраций минеральных солей [11].
Газообразные потери азота из почвы при внесении удобрений происходят главным образом в форме молекулярного азота и его окислов - N0, ^0. Наибольший интерес и экологическую значимость представляет закись азота ^0, обладающая высокой способностью к экранированию инфракрасного излучения и длительным пребыванием в атмосфере (200 и более лет). Согласно оценкам специалистов, почвы агроэкосистем обеспечивают около 80% увеличения содержания ^0 в атмосфере [12], а вклад ^0 в явление парникового эффекта
составляет 4-6% [13, 14]. В почвах ^О образуется в процессах микробной трансформации азота, основными из которых являются нитрификация
(N H+
NH2OH
N O2
условия) и денитрификация (N O3
N 03, аэробные
. . . ... - N 02 — —► N0 —► N2ON2, анаэробные условия). Если процесс денитрификации протекает до конца, то на последней стадии происходит восстановление закиси азота с образованием Таким образом, количество ^О, выделяющееся из почв, будет определяться соотношением процессов ее образования (продуцирования) и поглощения (восстановления), которое зависит от многих факторов окружающей среды. Основными из них являются влажность, температура и аэрируемость почвы, а так же вид землепользования, определяющий структуру почвенного микробного сообщества, кислотность, содержание доступного органического вещества, количество и формы минерального азота [15-20].
Целями настоящего исследования были количественная оценка газообразных потерь минерального азота и изучение процессов трансформации азота удобрений в пахотной буроземной почве в зависимости от уровня ее увлажнения.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Для лабораторного эксперимента были отобраны образцы бурозема (НарНс Luvisol) из слоя 0-10 см с участка пашни в Нижней Саксонии (Германия). Соотношение (%) песок : ил : глина в почве составляло 23 : 55 : 22, содержание общего углерода 1.48%, С^ = 9.3, реакция среды слабокислая рН 6.1. Свежеотобранная почва была просеяна через сито с отверстиями 4 мм, высушена до воздушно-сухого состояния, а затем хранилась в прохладном помещении. Перед проведением экспериментов почву увлажняли до 20% (весовых) и прединкубировали при комнатной температуре в течение 5 сут. Затем почву удобряли из расчета 10 мг N-NH4 и 10 мг N-NО3 на 1 кг почвы (общее внесение азота составило 20 мг N на кг почвы), тщательно перемешивая почву с растворами солей ^Н4)^04 и KN03. После этого удобренную почву в количестве, соответствующем 1 кг воздушно сухой почвы, помещали в пластиковые цилиндры диаметром 14.4 см и уплотняли до состояния, соответствующего объемной массе 1.2 г/см3. Высота полученного таким образом монолита была приблизительно 10 см. Затем эти монолиты увлажняли при помощи шприца до уровня, соответствующего 55%, 75% и 85% их полной полевой влагоемкости (ППВ), повторность опыта 12-кратная. Подготовленные таким образом цилиндры с почвой подсоединяли к автоматической газохро-матографической системе при помощи специально сконструированных микрокосмов [21, 22] и ин-
кубировали 17 сут в темной комнате при постоянной температуре 15°C. Воздушное пространство над почвой в каждом микрокосме составляло ~0.4 л, а его верхняя крышка имела специальные патрубки ввода и вывода для системы проточной аэрации свежим воздухом (скорость продувки 20 мл/мин).
Для измерения концентрации N2O была использована автоматическая газово-хроматогра-фическая система с 63№-детектором электронного захвата (Shimadzu, Duisburg, Germany) и рабочей температурой детектора 290°C. В качестве газа-носителя использовали молекулярный азот. Концентрация N2O во входящем и выходящем из микрокосма потоках воздуха измерялась каждые 4 ч. Скорость эмиссии N2O рассчитывали по разности этих концентраций с учетом скорости воздушного потока через каждый микрокосм и концентрации калибровочного газа. Несколько раз за время эксперимента в микрокосмах отбирали газовые пробы для определения концентрации N2O + N2 при помощи элементного анализатора Carlo Ebra ANA 1500.
Для химического и микробиологического анализа удобренную почву (~100 г) раскладывали в специальные емкости объемом 250 мл и подготавливали аналогичным образом, как в микрокосмах, а именно: уплотняли до состояния, соответствующего объемной массе 1.2 г/см3, и затем увлажняли при помощи шприца до 55%, 75% и 85% ППВ. Сосуды герметично закрывали, подсоединяли к системе постоянной продувки и помещали в те же условия инкубирования, что и микрокосмы, в которых шло определение скорости выделения закиси азота из почв. Анализ почв на содержание подвижных форм углерода и минерального азота, азота и углерода микробной биомассы проводили в почве до начала инкубирования (сразу после внесения удобрений, 0-е сут) и на 2-, 3-, 4-, 7- и 17-е сут эксперимента в почвах с влажностью, соответствующей 55 и 75% от ППВ, и на 2-, 3-, 7-, 12- и 17-е сут эксперимента в почвах с влажностью 85% от ППВ. В определенный планом эксперимента день отбора часть банок изымалась, и почву в них анализировали. Содержание подвижных форм минерального азота (общее,
концентрации N O3 и NH+) измеряли в 0.5 M К^04-вытяжке колориметрически в проточном анализаторе (TRAACS 800 auto-analyser). Азот (NMHK) и углерод (Смик) микробной биомассы определяли методом фумигации-экстракции [23, 24] и рассчитывали по формулам [25, 26]:
^ик = AN/kE№ (1)
Смик = AC/k
EC'
(2)
где АК(АС) - разница между содержанием N(0 в 0.5 М К^04 экстрактах после и до проведения фумигации, а ^ и - пересчетные коэффициенты.
Эмиссионный фактор и газообразные потери азота из пахотной буроземной почвы при различных уровнях увлажнения за время всего эксперимента (среднее ± стандартная ошибка)
Показатель Уровень увлажнения, % от ППВ
55 75 85
Потери N в форме ^0, мШ/м2 (измеренные) 0.69 ± 0.04 0.99 ± 0.09 63.9 ± 5.5
Потери N в форме мШ/м2 (рассчитанные по средней скорости выделения N2), мШ/м2 - 24 ± 11 188 ± 47
Общие потери N мШ/м2 0.69 ± 0.04 25 ± 11 252 ± 52
Эмиссионный фактор, % 0.056 ± 0.004 0.082 ± 0.008 5.27 ± 0.45
Для расчета величины kEC мы использовали уравнение, предложенное Евдокимовым и др. [27], учитывающее соотношение С : N в экстрагируемых клеточных компонентах:
kEc = 0.2а03, (3)
где а = AC/AN.
Величину kEN рассчитывали в соответствии с формулой, предложенной Благодатским и Евдокимовым [28], также учитывающей соотношение С : N в структурных и цитоплазматических (экстрагируемых) компонентах микробных клеток:
kEN = (YkEc(1
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.