Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

При современном состоянии агроландшафтов одной из основных задач систем земледелия становится возобновление природно-ресурсного потенциала элементов питания растений на фоне их интенсивного использования. Относительная стабильность содержания подвижных форм фосфора и калия в черноземах легкоглинистых и тяжелосуглинистых связана с химическими характеристиками почвообразующих пород. Проблемой восполнения минеральных форм азота является его органогенное происхождение, зависимость от количества и качественного состава возвращаемого растительного материала, структуры органического вещества почвы, агроклиматического потенциала и др. [1].

Агроклиматический потенциал степной зоны Правобережья Саратовской области определяется континентальностью климата: дефицитом атмосферных осадков, низкой относительной влажностью воздуха в летний период, высокими термическими ресурсами. Весенний период сопровождается резким нарастанием температуры воздуха. Переход среднесуточной температуры выше 0 °С отмечается 4–7 апреля, через (+5 °С) – 14–17 апреля, через (+10 °С) – 28–29 апреля. Продолжительность вегетационного периода – 134–158 дней. Гидротермический коэффициент составляет 0,6–0,8 за период с температурой выше (+10 °С), сумма положительных температур – 2600–2800 °С. Осадков за этот период выпадает 238–289 мм. Согласно среднему месячному количеству осадков их максимум приходится на июнь месяц. Наиболее сухим месяцем является август (рис. 1) [2].

Прогревание верхнего слоя почвы выше 0 °С определяет начало разложения и минерализации органического вещества. С повышением температуры процесс усиливается, а при 25–30 °С в аэробных условиях при влажности почвы 60–80 % от полной полевой влагоемкости происходит интенсивная минерализация остатков биоценоза. Согласно многолетним наблюдениям, средние месячные температуры верхнего слоя почвы достигают оптимальных для нитрификации значений к концу июня – началу июля (рис. 1).

В рамках выполнения исследований по программе Академии наук, связанных с разработкой экологически безопасных и экономически эффективных систем земледелия, проводился многолетний мониторинг содержания нитратного азота и нитрификационной способности в разных звеньях севооборотов, отличающихся по продолжительности ротации и составу культур. Наблюдалась повышенная нитрификационная способность почвы под посевами озимой пшеницы в зернопаротравяном севообороте с начала вегетации до фазы цветения и начала формирования зерна. Отмечалась высокая корреляция показателя с урожаем зерна и содержанием в нем азота. Урожай зерна в севообороте с многолетними травами был выше по сравнению с зернопропашными на 22,5 % (соответственно 55 ц/га и 40–45 ц/га), а по содержанию азота в зерне этот вариант значимо превышал двупольный зернопаровой севооборот (соответственно 2,03 % и 1,77 %) [3].

За период вегетации наблюдались различия динамики содержания нитратного азота и нитрификационной способности в разных звеньях севооборотов, что связано с особенностями развития культур и выносом элементов питания. В чистом виде динамику нитрификационной активности в зависимости от агроклиматического потенциала можно наблюдать в паровых полях (черный пар), вводимых в севообороты в степной зоне и обеспечивающих сохранение влаги в почве, накопление элементов питания к посеву озимой пшеницы, снижение засоренности полей и др.

Целью исследований является выяснение особенностей формирования азотного режима и влияния агроклиматического потенциала на сроки накопления нитратного азота и нитрификационную способность почвы в паровых полях (черный пар) севооборотов на черноземах южных малогумусных среднемощных тяжелосуглинистых, вспаханных на глубину 27–30 см.

Материалы и методы исследования

Исследования проводились в паровых полях (черный пар) севооборотов длительного стационарного опыта отдела земледелия, заложенного в 1974–1985 гг. в экспериментальном хозяйстве ФГБНУ «Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Юго-Востока». Полевые севообороты развернуты в пространстве и во времени. Повторность вариантов в опыте 3-кратная, площадь делянок 360 м2.

Рис. 1. Средние месячные суммы осадков и температур верхнего слоя почвы (0–5 см), (1995–2017 гг.)

Почва опытного участка – чернозем южный малогумусный среднемощный тяжелосуглинистый. Агрохимическая характеристика на момент исследования следующая: содержание гумуса – 4,0–4,3 %, валового азота – 0,217–0,240 %, валового фосфора и калия соответственно 0,124–0,135 % и 1,8–2,0 %. Обеспеченность подвижными формами фосфора и калия по Мачигину составляет для Р2О5 4,7–6,2 мг/100 г почвы, для К2О 35–50 мг/100 г почвы.

Основная обработка проводилась плугом ПЛН-4-35 на глубину 27–30 см. Для ухода за паром использовали культиваторы КПС-4Г с одновременным боронованием. За весенне-летний период почву культивировали на глубину 10–12, 8–10, 6–8, 6–8, 6–8 см по мере отрастания многолетних сорняков.

Были проанализированы данные, касающиеся накопления нитратного азота и нитрификационной способности почвы за период парования в 2007, 2008, 2010, 2014, 2016 гг.

Динамика нитрификационной активности почв (накопление нитратного азота и изменение нитрификационной способности) в теплый период года рассматривалась в 2016 и 2017 гг.

Почвенные образцы отбирались в пяти точках по каждому варианту в слое почвы 0–30 см с последующим выделением среднего образца, ориентируясь на фазы развития озимой пшеницы (табл. 1) [4].

Содержание нитратного азота и нитрификационная способность почвы после семидневного компостирования определялась ионометрическим методом [5].

Использование метеорологических наблюдений м/с Саратов ЮВ и применение методов корреляционной статистики позволило установить степень влияния погодных условий (ГТК, количество выпадающих осадков, Т °С на поверхности почвы – средней и абсолютной максимальной, а также Т °С в слое почвы 0–5 см) на нитрификационную активность почвы.

Содержание нитратного азота и нитрификационная способность почвы в паровых полях к посеву озимой пшеницы соотносились со средними значениями гидротермических показателей за два периода: май – июнь и июль – август. Для определения корреляции сезонной динамики нитрификационной активности с погодными условиями использовались данные за месяц, предшествующий отбору образцов.

Таблица 1

Сроки отбора почвенных образцов

Таблица 2

Матрица корреляционного и вариационного анализов содержания нитратного азота, нитрификационной способности и факторов агроклиматического потенциала (n = 18)

Статистическая обработка материалов проводилась по программам Excel и Agrоs.

Результаты исследования и их обсуждение

За годы изучения влияния погодных условий на формирование азотного режима отмечалась высокая вариабельность ГТК и количества осадков, как в мае – июне, так и в июле – августе. При среднем значении ГТК 0,9 и 0,5, осадков 96 и 39 мм коэффициенты вариации составляли для ГТК 45 и 63; для количества осадков 63 и 62 (табл. 2).

Нормальными условиями отличался весенне-летний период 2008 г. (ГТК = 1,0 за май – июнь и июль – август). В 2010 г. в первой половине лета наблюдалась сильная засуха (ГТК = 0,5), переходящая в очень сильную (ГТК = 0,1) в июле – августе. Слабая засуха в первой половине лета (ГТК = 0,8) и очень сильная (0,3) в июле – августе была характерна для 2014, 2016 гг. Весна 2017 г. характеризовалась избыточным увлажнением (ГТК = 1,7), в то время как во второй половине лета отмечалась сильная засуха (ГТК = 0,5).

Было отмечено, что с повышением ГТК и количества выпавших осадков в оба периода наблюдения содержание нитратного азота к концу парования снижается. Коэффициенты корреляции имеют достоверное отрицательное значение: (–0,66**), (–0,61**) – с ГТК; (–0,72**), (–0,52**) – с количеством осадков.

Интенсивность нитрификации определяется степенью прогревания почвы. За время мониторинга температура в слое почвы 0–5 см за май – июнь изменялась от 18,8 °С (2017 г.) до 23,7 °С (2010 г.) и в среднем составляла 21,0 °С, а в июле – августе колебалась от 23,4 °С (2008 г.) до 31,0 °С (2010 г.) при среднем значении 27,0 °С. Несмотря на низкую вариабельность показателей температуры на поверхности и в верхнем слое почвы (V 4-9), их изменение имеет достоверную положительную корреляцию с содержанием нитратного азота к концу парования (0,85** для периода май – июнь; 0,77** для июля – августа). С повышением абсолютного температурного максимума на поверхности почвы содержание нитратного азота также возрастает (r = 0,68**) Его максимальное содержание (от 31 до 45 мг/кг почвы) (табл. 3) отмечалось в острозасушливом 2010 г., когда средняя температура верхнего слоя почвы в мае – июне составляла 23,7 °С, абсолютный температурный максимум на поверхности почвы достигал 60,3 °С, а в июле – августе – соответственно 31 и 63,0 °С. В условиях воздействия высоких температур на поверхность почвы в июле – августе наблюдается усиление разложения остатков растений, но это происходит, скорее всего, в результате химических процессов. Минимальное содержание нитратного азота к концу парования (11–15 мг/кг почвы) было отмечено в 2017 г. на фоне медленного прогревания почвы в мае – июне (18,8 °С), аномально высокого количества осадков (167 мм за два месяца) и ГТК = 1,7 (рис. 3).

Между ГТК и количеством выпадающих осадков, с одной стороны, и температурой на поверхности и в верхних слоях почвы, с другой, коэффициент корреляции имеет достоверное отрицательное значение: (–0,76**) – (–0,95**). В зависимости от соотношения рассматриваемых факторов происходит формирование азотного режима почвы. Многолетний мониторинг показал достоверное различие содержания нитратного азота и уровня нитрификационной способности почвы к концу ухода за паром в зависимости от года наблюдений. В среднем в севооборотах к моменту посева озимой пшеницы накопление нитратного азота составляло от 17,20 до 36,92 мг/кг почвы при коэффициенте вариации V = 40 и среднем содержании 21,4 мг/кг.

Таблица 3

Содержание нитратного азота и нитрификационная способность почвы к посеву озимой пшеницы (мг/кг почвы)

Примечание. 1 – среднее значение по севооборотам; 2 – критерий множественного сравнения частных средних.

Нитрификационная способность почвы так же варьирует в зависимости от погодных условий (V = 61) от 1,98 до 14,64 мг/кг почвы при среднем значении за годы наблюдения 8,2 мг/кг почвы.

Потенциальная способность почвы к нитрификации начинает формироваться в ранневесенний период по мере прогревания почвы с началом разложения азотистых соединений. В связи с этим прослеживается ее положительная корреляция с абсолютным температурным максимумом в первой половине наблюдений (0,58*). Низкая достоверность корреляции объясняется влиянием погодных условий в ходе парования на конечное значение показателя.

Положительная корреляция нитрификационной способности с ГТК и количеством осадков в июле – августе (r = 0,56* и r = 0,66**) и отрицательная со средней температурой на поверхности почвы (r = –0,63**) может объясняться снижением биологической активности в связи с потерей влаги из почвы.

Таким образом, высокая вариабельность погодных условий в период ухода за чистым паром объясняет достоверное различие в накоплении нитратного азота и уровне нитрификационной способности почвы к посеву озимой пшеницы по годам (табл. 2–3).

Накопление нитратного азота и динамика нитрификационной способности являются двумя сторонами нитрификационной активности почвы и имеют достоверную отрицательную корреляцию. За период ухода за паром в 2016 г. коэффициент корреляции между показателями составил (–0,86**).

Сезонная динамика накопления нитратного азота и нитрификационной способности в черных парах рассматривалась в условиях теплого периода 2016 и 2017 гг.

Как отмечалось выше, потенциальная способность почвы к нитрификации закладывается в ранневесенний период и во многом зависит от температуры на поверхности и в верхних слоях почвы. При температуре слоя 0–5 см в третьей декаде апреля 2016 г. 13,5 °С (рис. 2) потенциальная способность почвы к нитрификации составляла 13– 14 мг/кг почвы (рис. 3). В мае температура верхнего слоя почвы была близка к среднемноголетним показателям. Ее понижение в середине месяца было компенсировано к концу мая и несколько превышало среднегодовые показатели в июле – августе [6]. В таких условиях тенденция к накоплению нитратного азота в паровых полях севооборотов отмечалась уже к третьему сроку наблюдения (конец мая), а с начала июля наблюдалось достоверное увеличение содержания нитратного азота и снижение нитрификационной способности почвы. Максимальное накопление нитратного азота и минимальный уровень нитрификационной способности были достигнуты к началу сентября, к посеву озимой пшеницы. Содержание нитратного азота в среднем по севооборотам составило 21,8 мг/кг, а нитрификационная способность снизилась до 1,98 мг/кг почвы.

Значительно отличающиеся погодные условия 2017 г. оказали существенное влияние на динамику нитрификационной активности в период ухода за паром [7]. Пониженная по сравнению с 2016 г. температура верхнего слоя почвы в третьей декаде апреля (10,3 по сравнению с 13,5 °С) замедлила разложение свежих органических остатков и формирование потенциальной способности почвы к нитрификации в начале весенних полевых работ (6,92 мг/кг почвы). Максимум нитрификационной способности был достигнут только к середине мая. Медленное прогревание почвы в мае – июне 2017 г. на фоне избыточного увлажнения сдерживало реализацию потенциальной способности к нитрификации, чем объясняется пониженное содержание нитратного азота по сравнению с 2016 г. на протяжении всего периода ухода за паром, а к началу сентября его накопления были ниже на 28 % (15,9 мг/кг почвы).

Рис. 2. Прогревание верхнего слоя почвы за период парования

Рис. 3. Динамика нитрификационной активности почвы за период ухода за чистым паром в 2016 и 2017 гг. Примечание. Сроки отбора образцов ориентированы на фазы вегетации озимой пшеницы: 1 – середина апреля, начало вегетации; 2 – первая половина мая, трубкование; 3 – конец мая – начало июня, конец цветения; 4 – первая половина июля, восковая спелость; 5 – конец июля – начало августа, уборка; 6 – начало сентября

Учитывая влияние агроклиматического потенциала на особенности формирования азотного режима в паровых полях, возможно прогнозирование оптимальных сроков, а также уровня накопления нитратного азота в почве, что позволит дать оценку элементам, входящим в технологии ухода за паром, и в целом системам его обработки. Кроме того, определение содержания нитратного азота в почве с учетом установления оптимальных сроков его накопления дает возможность выяснить целесообразность применения поздней подкормки озимых культур и необходимые дозы удобрений.

Выводы

1. Достоверное различие накопления нитратного азота и нитрификационной способности почвы к концу парования в разные годы наблюдения объясняется варьированием ГТК и интенсивности прогревания почвы на протяжении ухода за чистым паром.

2. Накопление нитратного азота к концу парования определяется в основном температурой на поверхности и в верхнем слое почвы и связано с реализацией нитрификационной способности на протяжении всего периода ухода за паром.

3. Повышенные значения ГТК и количество выпадающих осадков, имеющие достоверную отрицательную корреляцию с температурой на поверхности и в верхнем слое почвы, затрудняют реализацию потенциальной способности почвы к нитрификации и накопление нитратного азота.

4. Нитрификационная способность закладывается в ранневесенний период при достижении температуры верхнего слоя почвы 10–17 °С (вторая половина апреля, начало мая) и зависит от абсолютного температурного максимума на поверхности почвы. При дальнейшем повышении температуры с накоплением нитратного азота потенциальная способность к нитрификации снижается вплоть до минимальных показателей к концу лета.

5. Сохранение повышенной нитрификационной способности почвы в мае – июле и пониженное накопление нитратного азота (15,9 мг/кг почвы) к началу сентября 2017 г. связано с высоким значением ГТК мая – июня (1,7), количеством осадков (167 мм), замедленным прогреванием почвы в весенне-летний период. В результате к посеву озимой пшеницы отмечалось его минимальное содержание за период наблюдений (12,63 мг/кг почвы).