ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2009, № 12, с. 1464-1474
ХИМИЯ ПОЧВ
УДК 631.433.3
БАЛАНС УГЛЕРОДА В ПАХОТНЫХ СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВАХ ПРИ РАЗНЫХ СПОСОБАХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ*
© 2009 г. А. А. Ларионова, А. М. Ермолаев, В. И. Иикитишен, В. О. Лопес де Геренш, И. В. Евдокимов
Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, 142290, Пущино, Московской обл., ул. Институтская, 2 е-шаИ: ilya@issp.serpukhov.su Поступила в редакцию 26.06.2008 г.
В полевых опытах изучали влияние разных способов сельскохозяйственного использования России на баланс углерода в старопахотных серых лесных почвах. Кратковременное (6-7 лет) прекращение внесения минеральных удобрений не приводило к негативным изменениям баланса углерода в исследуемых агроценозах. Только сочетание отсутствия удобрений с возвратом к монокультуре и введением черных паров создавало отрицательный баланс запасов гумуса в почве. Залужение эродированной пахотной почвы в течение 24 лет увеличивало запасы гумуса в слое 0-60 см в 1.6-1.7 раза. Среднегодовое накопление углерода и азота после восстановления многолетней растительности составило 106-128 г С/м2 и 11-16 г М/м2 соответственно.
ВВЕДЕНИЕ
Знание баланса углерода в пахотных почвах интересно, поскольку агроценозы принято относить к экосистемам с отрицательным балансом органического вещества в почвах, представляющим собой источник С02 в атмосфере с доинду-стриальных времен и до наших дней. Распашка целинных почв и замена многолетней растительности сельскохозяйственными культурами приводят к увеличению минерализации гумуса и уменьшению поступления растительных остатков в почву [8, 11, 18, 19, 30].
С начала 90-х годов в связи с экономическим кризисом в сельском хозяйстве России господствуют две основные тенденции: 1) прекращение внесения минеральных и органических удобрений на большей части сельскохозяйственных угодий и снижение доз удобрений на удобряемых площадях; 2) уменьшение площади почв, используемых в сельскохозяйственном производстве, и превращение пахотных земель в залежи.
Удобряемые почвы составляли в 2002 г. треть от пахотных почв России, а дозы минеральных и органических удобрений уменьшились в 19901995 гг. в 4 раза по сравнению с доперестроечными годами [15]. В этот же период площадь пахотных земель сократилась на четверть [13]. Это приводит к противоположно направленным изменениям баланса запасов гумуса в пахотных почвах
* Работа выполнена при финансовой поддержке Президиума РАН (программа < 16) и РФФИ, проекты 07-04-01333, 08-04-00559, 06-04-48756.
России. Прекращение внесения удобрений снижает продуктивность посевов и поступление углерода в почву с послеуборочными растительными остатками, что также способствует возникновению дефицита азота и фосфора в почве. Недостаток элементов минерального питания может быть компенсирован за счет азота и фосфора, содержащихся в гумусе, что неизбежно приводит к усилению минерализации органического вещества почвы. Таким образом, уменьшение поступления углерода в почву и увеличение минерализации почвенного гумуса в отсутствие элементов минерального питания, поступающих с удобрениями, способствуют созданию отрицательного баланса углерода в почве. Превращение пахотной почвы в залежь, напротив, приводит к накоплению углерода в многолетней растительности и в почве, способствуя формированию положительного баланса запасов гумуса. Следовательно, оценка влияния агроприемов, широко используемых в сельскохозяйственной практике, а также современных изменений землепользования на формирование баланса углерода в пахотных почвах является актуальной задачей для уточнения вклада этой составляющей в эмиссию С02 с территории России и разработке мероприятий по поддержанию бездефицитного баланса гумуса в почвах, используемых в сельском хозяйстве.
Крайне немногочисленны сведения о влиянии прекращения внесения удобрений на баланс углерода в почвах. В классическом Ротамстедском эксперименте после прекращения внесения органических удобрений содержание гумуса в почве
снижалось довольно медленными темпами. В вариантах, где внесение навоза прекратили в 1871 г., содержание гумуса к началу 90-х годов XX в. все еще превосходило таковое в неудобряемом контроле [20]. Моделирование запасов органического вещества в почвах бывшего Советского Союза дало неожиданные результаты, свидетельствующим о возможном увеличении содержания гумуса после прекращения внесения №К в почву [33]. Результаты моделирования экспериментально подтверждены Шевцовой с соавт. [31, 32]. Причиной возможного увеличения содержания органического вещества является увеличение устойчивости гумуса к разложению почвенными микроорганизмами после прекращения внесения минеральных удобрений. Таким образом, необходимы дальнейшие исследования баланса гумуса и изменений его качества при продолжительном внесении минеральных удобрений и после прекращения их внесения.
Известно, что восстановление многолетней растительности на пахотных почвах является наиболее эффективным приемом, позволяющим значительно увеличить связывание диоксида углерода из атмосферы [25, 34]. Однако скорости накопления углерода в формирующихся естественных экосистемах сильно варьируют в зависимости от региональных особенностей [27], продолжительности эксперимента и степени эродированности почвы перед возобновлением естественной растительности [5]. Количественные определения баланса углерода и скоростей накопления гумуса после лесовосстановления и залужения пахотных почв России крайне немногочисленны, несмотря на высокую эффективность этого приема для смягчения последствий парникового эффекта.
Наряду с необходимостью определения баланса углерода, большое значение имеет изучение распределения связанного углерода атмосферы в экосистеме: ассимиляция в фитомассе рассматривается как временный сток, а аккумуляция в форме органического вещества почвы является более предпочтительной. В свою очередь, органическое вещество почвы подразделяется на пулы, обладающие различной устойчивостью к разложению почвенными микроорганизмами: 1) лабильный пул - неспецифическая часть почвенного гумуса (растительные остатки и продукты их первичного разложения, микробная биомасса и микробные метаболиты); 2) стабильный пул - специфические соединения почвенного гумуса (гумино-вые и фульвокислоты) и устойчивые к микробному разложению органические соединения растительного происхождения. Среди специфических гуминовых веществ наибольшей устойчивостью к разложению отличается фракция гуминовых кислот, прочносвязанных с глинистыми минералами, которые защищают органические молекулы от деструкции почвенными микроорга-
низмами. Поскольку аккумуляция углерода в наиболее стабильных формах почвенного гумуса -наиболее эффективный способ смягчения последствий парникового эффекта, необходимо не только рассчитывать скорости накопления углерода в почве, но и оценивать устойчивость к разложению новообразованных гуминовых веществ.
Цель настоящей работы - определение баланса углерода в удобряемых агроценозах и в агроце-нозах после прекращения внесения минеральных удобрений, а также определение скоростей накопления гумуса и устойчивости новообразованных гуминовых веществ к микробному разложению при искусственном залужении и лесовосста-новлении эродированной старопахотной серой лесной почвы.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Исследования проводили в 1980-2000 гг. на серых лесных почвах Московской обл. Изучаемые почвы находились в сельскохозяйственном использовании примерно 250 лет. До 1990 г. в производственные посевы вносили около 105 кг/га №К [2]. В настоящее время значительная часть (до одной трети) исследуемых почв выведена из сельскохозяйственного производства. Дозы минеральных удобрений снизились в 1990-х гг. до 20-25 кг/га и остаются на том же уровне до настоящего времени [15]. Таким образом, изменения баланса углерода в пахотных серых лесных почвах отражают типичные изменения землепользования в России в современный период.
Исследования проводили на серых лесных почвах в 4 км к западу от г. Пущино. Пахотные серые лесные почвы (С орг 0.9-1.1%, рН солевой 5.8-6.5) изучались на вариантах полевых опытов, заложенных на опытно-полевой станции ИФХиБПП РАН методом расщепленных делянок.
В первом полевом эксперименте, заложенном методом расщепленных делянок в 3-кратной по-вторности, исследовали последействие минеральных удобрений на продуктивность растений и баланс углерода. Минеральные удобрения в количестве 60-180 кг/га вносили под зерновые культуры и однолетние травы в течение двух ротаций 9-польного севооборота (вико-овсяная смесь, озимая пшеница, кукуруза, ячмень с подсевом клевера, клевер первого года, клевер второго года, озимая пшеница, кукуруза, ячмень) в период с 1979 по 1995 гг. При выращивании зерновых культур солома не отчуждалась, а запахивалась в почву. После 1995 г. внесение удобрений было прекращено, а в 2003 г. почва была выведена из сельскохозяйственного производства. С 1996 по 1999 гг. в начале третьей ротации чередование культур соблюдалось в отсутствие внесения удобрений. А в период с 2000 по 2003 гг. в севооборот были внесены следующие изменения: в 2002 г.
почва находилась под паром после выращивания озимой пшеницы в течение двух вегетационных сезонов 1999-2000 и 2000-2001 гг. Баланс углерода в почве определяли в 2000-2003 гг., то есть через 4 года после того, как прекратили внесение удобрений. Изучали последействие трех доз удобрений: N60P80K90, N120P80K90, N180P80K90 - и неудобренный контроль.
Во втором эксперименте изучали влияние искусственного залужения в 1999 и 2004 гг. (С орг в почве 1.3-1.5%, рН солевой 6.0). Смесь из овсяницы (Festuca pratensis), тимофеевки (Phleum pratense) и клевера (Trifolium pratense) была посеяна в 1980 г. на старопахотной эродированной серой лесной почве. Исследовали влияние сенокошения и внесения минеральных удобрений в количестве 60 кг/га. Таким образом, скорость накопления углерода в почве определяли в четырех вариантах сеяного луга: некосимом неудобряемом, косимом не-удобряемом, некосимом удобряемом и косимом удобряемом. С 1999 г. внесение NPK в удобряемые в
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.