Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Агроэкологическая оценка азотминерализующей способности почв Московской области

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Агроэкологическая оценка азотминерализующей способности почв Московской области"

РГб од

1 и МАЙ 2303

На правах рукописи

ГОЛОВНИНА Наталья Олеговна

АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА АЗОТМИНЕРАЛИЗУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ПОЧВ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Специальность 03.00.16 — экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА 2000

Работа выполнена .в Институте фундаментальных проблем биологии РАН.

Научный руководитель — доктор биологических наук, про фессор В. Н. Башкин.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук профессор А. Д. Фокин; доктор биологических наук В. М. Се' менов.

Ведущее учреждение — Всероссийский научно-исследова тельский институт Охраны природы Госкомприроды РФ.

Защита состоится ....^Г.г^?^^*!......................2000 г.

на заседании диссертационного совета Д 120.35.08 в Москов ской сельскохозяйственной академии «м. К. А. Тимирязева.

Адрес: 127550, Москва, Тимирязевская ул., 49.

Ученый совет МСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ МСХА.

Автореферат разослан..........................................2000 г

Ученый секретарь

диссертационного совета — кандидат биологических наук

А. В. Чичсв

/703<2.35]Ю

Актуальность темы. Соединения а. 'а играют важнейшую роль в создании биомассы и функционировании агроэрогистем. Успешное решение проблемы рационального использования природного ресурса азота, включая ее экологические аспекты, возможно толь::о при изучении процессов трансформации азота как во внутри!.: л<кле а!рогеоценозов, так и в

сопряженных с ними экосистемах. Для поддержания оптимального почвенного ресурса азота и нормирования антропогенных нагрузок необходимо выявление количественных параметров интенсивности этих процессов и разработка на их основе критериев оценки функционирования агроландшафтов.

Оценка азотного режима почв должна основываться на определении того пула азота почвы, который способен к активной биогенной трансформации. Количественным критерием азота, активно участвующего в бпогаохимическом круговороте, может служить величина азотминерализующей способности почв (Башкин, Кудеяров, 1987). Подобно большинству биогеохимических показателей величина азотминерализующей способности почвы зависит от ландшафтно-геохнмической организованности биосферы.

Цели и задачи исследований. Целью данной работы было оценить возможность использования величины азотминерализующей способности почв (AMC) для решения проблем эколого-агрогеохимнческого ' мониторинга и выявить факторы, определяющие количественные изменения пула мобильного азота на примере различных сельскохозяйственных и природных ландшафтов Московской области.

В основные задачи исследований входило:

1. Определить величину азотминерализующей способности почв различных элементарных ландшафтов Московской области (элювиальный, трансзлювнальный, аккумулятивный) в условиях их почвенно-геохтпгческих сопряжений.

2. Сравнить полученные значения азотминерализующей способности почв агроландшафтов и нх естественных ландшафтов-аналогов.

3. Оцешгть влияние почвенно-геохимггееских и биогеохимическнх факторов на величину азотминерализующей способности почвы.

Научная потзна. Впервые, на примере ландшафтов Московской области, дана оценка изменений азотминерализутоще"! способности почз агрогеоценозов и их аналогов - естественных бпогеоценозол. Показано, что изменение этих величин завись от природной организованности территории, типа элементарного

ландшафта, типа почв и содержания в почве подвижных форм микроэлементов. В модельных экспериментах выявлено, что изменение микроэлементного режима почвы оказывает влияние на интенсивность процесса мобилизации почвенного азота, что отражается на поступлении его в растения.

Защищаемые положения. Изменение величины азотминерализующей способности почвы согласуется с общими принципами трансформации вещества в условиях почвенно-геохимических сопряжений и может служить комплексным показателем для характеристики биогеохимического цикла азота в естественных и агроэкосистёмах.

При оценке внутрипочвенной трансформации азота и поступления этого элемента в растения следует учитывать содержание микроэлементов в почве, так как последние в силу своей биофильности оказывают влияние на азотный режим почвы и метаболизм растений.

Практическая значимость. Полученные закономерности изменения азотминерализующей способности почв могут быть использованы для оценки пула мобильного азота почвы в условиях сопряженных ландшафтов, что позволяет повысить информативность прогноза азотного режима агроэкосистем и дифференцировать выбор вносимых доз удобрений с учетом биологических источников азота и ландшафтно-геохимической структуры территории.

Декларация личного участия. Данная работа выполнена автором в лаборатории биогеохимии агроландшафтов ИФПБ РАН в рамках исследований по агрогеохимическому районированию территории Московской области. Лично автором проведено определение величин азотминерализующей способности почв различных ландшафтов исследуемого региона, а также проведены модельные и вегетационные эксперименты по детальной оценке факторов, влияющих на азотминерализующую способность почвы. Автором проанализировано более 5000 почвенных и 500 растительных образцов. В работе использованы экспериментальные данные внутрипрофильного распределения азотистых соединений в почвах Московской области и содержания Ы-ЫО^ в почвенно-грунтовых водах, полученные к.г.н Припутиной И. В.

Структура и объем работы. Дисесртияня изложена нг4££страницах и состоит из введения, У глав, выводов, списка литературы, который включает/)^* отечественных и ¿/зарубежных ксточкккоз.

Апробация работы. Результаты рссяедоавнкл докладывались на Всесоюзной конференции "Проблемы рационального использования и охраны окружающей среды" (Минск, 1990); Всесоюзного совещание "Проблема азота в интенсивное земледелии" (Новосибирск, 1990); Всесоюзной школе-конференции молодых ученых (Курск, 1991); Всесоюзной научной конференции "Биология почв антропогенных ландшафтов" (Днепропетровск, 1995); Международном симпозиуме "Тяжелые металлы в окружающей среде" (Пущине, 1996); II и IV открытых научных конференциях молодых ученых г. Пущино (1597, 1999); на расширенном заседании Отдела экологической безопасности ИФПБ РАН (Пущино, 1999); на расширенном заседании лаборатории "Охраны почв и земледелия" ВНИИ Охраны природы Госкомприрода РФ (Москва, 1999).

Публикация результатов исследованийЛо теме диссертации опубликовано 20 печатых р?.бот.

Содержание работы Введение. Рассмотрена необходимость сопряженного исследования биогеохкмнческих циклов азота и микроэлементов и использования понятий и методов геохимии ландшафтов при эколого-агрогеохимическом исследовании. Сформулир чвг-ны актуальность, цель и научная новизна представленной работы.

Глава 1. Литературный обзор Дана оценка современных литературных данных, рассматривающих зопросы экологии, агрохимии, биогеохимин азота и микроэлементов (Си, ¿п, Мо). Рассмотрены теоретические концепции и методологические подходы к опенке пула мобильного азота почвы. Обосновано использование величины а?<гл«шералнзующей способности почвы при изучении трансформации азотистых соединений в агроэкоскстемах.

Глава 2. Объекты и методы исследований Полгвке исследований лроводилис» в летние периоды 1988-1992 годов на тер;чггор;ш Московской области, характеризующейся разнообразием природных условий и сложной сельскохозяйственной структурой, что

позволило рассмотреть 145 элементарных геохимических ландшафтов и 29 ландшафтно-гсохимнческих сопряжений (катен). Изучаемые ландшафты по условиям миграции вещества подразделялись на автономные (Э - элювиальные) и подчиненные - (траслювиальные - Т-Э, трансэлювиально-аккумулятивные - Т-Э-А, супераквальные или аккумулятивные - А). Для каждого ландшафта оценивались величина аэотминерализующей способности, содержание соединений азота и подвижных форм микроэлементов в почвах. Для определения азотминсрализующей способности почвы использовались смешанные почвенные образцы из горизонтов 0-10 и 10-20 см (всего 300 почвенных образцов). Вегетационные исследования проводились в условиях фитотрона ИФПБ РАН в 1989-1992 гг., где моделировались условия умеренно жаркого лета. Почва отбиралась из различных элементарных ландшафтов одной катены. В качестве растения-индикатора использовался райграс пастбищный (Lolium multiflorum), сорт Вик-66. В почву вносили NPK, Си, Mo, Zn по следующим схемам: контроль - NoPoKoCtioMouZnn; Ы^щ+м/э N2oP2i)K2i)cil|MoiZn«; Nh,»+m/3 - N-wP-ioKjoCusIv^Zni,,; м/э - NoPoKoCusMo^Zn^ (мг/кт). В качестве азотного удобрения использовали I5NHV5NOj , с исходным обогащением 30 ат.%.

Химико-аналитические работы включали в себя анализ содержания азотистых, фосфорных и калийных соединений в почвах и растениях. Величину азотминерализующей способности почвы определяли по соответствующей методике (Башкин, Кудеяров, 1987), в основе которой лежит определение мобилизуемого азота почвы при компостировании почвенных образцов в течение четырех недель с набором азотных удобрений в возрастающих дозах. Используя математическое выражение зависимости накопления доступного азота в почве при компостировании от доз азотных удобрений, устанавливали ее азотминерализующую способность. Содержание подвижных форм азота, фосфора и калия, а также общее содержание углерода в почве определяли по стандартным методикам (Аринушкина, 1970). Концентрацию изотопа азота l5N в почве и растениях определяли на оптическом анализаторе МСД-8 в ЛСХИ. Содержание микроэлементов в почвенных и растительных образцах определяли атомно-абсорбционным методом (Perken Elmer). Анализ механического состава и кислотности почв (рНксО проведен в ХАК ИФПБ РАН.

Статистическую обработку данных осуществляли с использованием процедур корреляционного, регрессионного и дисперсионного анализов пакета SAS, SC. Полученные результаты оценивались при заданном уровне значимости р<0,01.

Глава 3. Природные условия и антропогенные факторы, определяющие

структуру ландшафтов Московской области Рассмотрены геолого-геоморфологические и почвенно-геохимические условия исследуемой территории, определяющие наряду с бноклиматическими факторами направленность геохимических процессов, способствующих фостранственной дифференциации элементов в экосистемах. Показано, что ютенсивное сельскохозяйственное использование территории усиливает фиродную дифференциацию ландшафтов Московской области.

Глава 4. Влияние агрогеохимических факторов на ачотминерализуюи(ую способность почв Московской области 4.1. Азотминерализующая способность почв и содержание азотистых •оединений в почвснно-геохимических катенах

Биогеохимическая трансформация азотистых соединений в почве »существляется в ходе противоположно направленных процессов - биогенной «кумуляции и разложения азотсодержащих компонентов органического 1ещества с последующей миграцией мобильного азота в сопряженные среды, количественным критерием оценки мобильного азота почв может служить «личина их азотминерализующей способности. Результаты многочисленных юлевых экспериментов показали, что AMC характеризует интенсивность фоцессов трансформации азота в почвах и уровень их плодородия (Башкин, 986; Хабиров и др., 1993).

В экосистемах Московской области минимальные значения AMC (12-15 мг •J/кг) выявлены для дерново-подзолистых и серых . лесных ильноэродированных почв, а для выщелоченных черноземов характерны 1аксимапьные величины AMC (325-356 мг N/кг). Среднее содержание Ы^щ, N-■ГН/ и N-NOj' в гумусовых горизонтах почв исследуемых ландшафтов олебалось в пределах 750-2670, 4,2-9,7 и 10,8-29,8 мг/кг почвы, оответственно. Наблюдаемое варьирование показателей содержания азота в очве определяется сложностью и неоднородностью почвенного покрова бласти, а также высокой биогеохимической мобильностью соединений азота, [ля более корректной оценки азотного режима различных ландшафтов были чтены естественные геоморфологические условия формирования и (ункционирования исследуемых ландшафтов в пределах их почвенно-еохимического сопряжения (катены). Тип элементарного геохимического андшафта использовался в качестве фактора структурирования при татистической обработке данных. Достоверность различий показателей ценнвалась по критерию Дункана (Афнфи, Эйзен, 1982; SAS..., 1991).

î

Таблица I. Содержание азотистых соединений и азотминерализующая способность почвы в различных типах элементарных ландшафтов (мг Ы/кг почвы)

Тип элементарного Агроландшафты Естественные ландшафты

ландшафта среднее среднее О

Нобш.

Э 840 АВ 1540 В

Т-Э 750 . А 960 А

Т-Э-А 910 В 1620 В

А 1680 С 2070 С

АМС

Э 119 В 90 В

Т-Э 53 А 64 А

Т-Э-А 156 ВС 106 В

А 188 С 142 С

N-N0,"

Э 27,8 А 20,8 А

Т-Э 10,8 А 19,5 А

Т-Э-А 25,6 А .19,6 А

А 29,8 А 25,6 А

Э 9,6 А 8,9 А

Т-Э 6,5 А 8,7 А

Т-Э-А 7,2 А 7,4 А

А 9,7 А 9,3 А

О - ранжирование по критерию Дункана;

Э (п = 78); Т-Э (п = 46); Т-Э-А (п = 46); А (п = 71)

б

Полученное статистическое распределение величин AMC в почвах arpo- и биогеоценозов различных типов элементарных ландшафтов было следующим: Т-Э < Э < А (табл. 1). Минимальные величины AMC были в трансэлювиальных ландшафтах, что обусловлено влиянием как биотических, так и абиотических факторов. Как известно, транзитные ландшафты характеризуются максимальной выраженностью миграционных потоков вещества (Глазовская, 1988), вследствие чего возможно общее снижение в составе гумуса лабильных фракций, доступных для быстрой минерализации. Сельскохозяйственное использование данных ландшафтов существенно изменяет физико-химические и биологические показатели почв (Акентьева, 1975; Хазиев и др., 1979; Гантимурова и др., 1985; Орлов, 1992 и др.), что также отражается на AMC этих почв. Для аккумулятивных ландшафтов характерны максимальные значения AMC. В отдельных катенах эти величины превосходили соответствующие минимальные значения в 4-6 раз. Наблюдаемые различия, вероятно, связаны с процессами, определяющими интенсивность биогеохимического круговорота азота. Во-первых, формирующиеся в условиях супераквапьного ландшафта пойменные почвы обладают более высоким плодородием по сравнению, например, с дерново-подзолистыми, составляющими основной почвенный фон области. Известно, что наряду с такими специфическими для пойм условиями почвообразования как аллювиальностъ, важнейшую роль в формировании плодородия пойменных почв играет их высокая биогенность (Добровольский, 1971, 1985; Евдокимова, 1971; Титлянова, 1979; Бабьева, 1983; Гришина, 1985 и др.). Во-вторых, пойменные почвы, интенсивно используются в сельскохозяйственном производстве, особенно овощных культур, под которые традиционно вносятся повышенныё дозы азотных удобрений. Это увеличивает приход азота в супераквальных ландшафтах и способствует повышению уровня минерализации азотсодержащих органических соединений. В-третьих, дополнительное поступление азота в аккумулятивные ландшафты возможно вследствие латеральной миграции и связанному с этим биогеохимическому потоку азотистых соединений в катенах (Башкин и др., 1990).

Аналогичные закономерности выявлены при анализе распределения удержания общего азота в различных элементарных ландшафтах. Максимальные суммарные концентрации азота характерны для почв :упераквальных позиций, а минимальные - для трансэлювиальных. В отличие 5т AMC и NoCm четкой зависимости в распределении минеральных форм азота ючвы в данных сопряженных системах не выявлено (табл.1).

Фитогеохимические исследования показали, что содержание азота . в ;ельскохозяйственных растениях одного и того же вида изменялось в (ависимости от того, к какому элементарному ландшафту приурочен агроценоз.

Таким образом, изменение величин азотминерализующей способности почв согласуется с общими закономерностями распределения вещества в почвенно-геохимических катенах и связанно с единой направленностью процессов миграции соединений.

Таблица 2. Доля мобильного азота, рассчитанного по величине AMC, и актуального содержания минерального азота (Nm»i = N-NCV+N-NH/) от общего содержания азота в почвах элементарных ландшафтов (%)

Тип (AMC/NUJxlOO (Nmoi/N <*„■ )х 100

элементарного агро- естественный агро- естественный

ландшафта ландшафт ландшафт ландшафт ландшафт

Э 14,2 5,8 4,5 1,9

Т-Э 7,0 6,6 2,3 2,9

Т-Э-А 17,1 6,5 3,3 1,6

А 11,2 6,8 2,4 1.7

Среднее 12,4 6,0 3,1 1,9

Как показал анализ полученных результатов, доля минерального азота в его общих запасах в почве (N,™ = N-NOj'+N-NH/) в 2-4 раза ниже, чем доля пула мобильного азота (табл. 2). Поэтому истинные размеры образования, минерального азота и его круговорота в почве невозможно оценить, основываясь только на данных о концентрации N»«.■ Минеральные соединения азота имеют более сложное пространственное и внутрипрофильное распределение, а их концентрации в почвах отражают определенное равновесие между процессами минерализации и иммобилизации азота. Таким образом, при мониторинге азотистых соединений в экосистемах наиболее информативным показателям является AMC, которая характеризует пул мобильного азота почвы в целом.

4.2. Изменение величины азотминерализующей способности почвы в агроландшафтах

Для оценки сельскохозяйственного воздействия на азотный режим почв в ландшафтах Московской области изучались агроландшафты и их естественные ландшафты-аналоги. Исследования показали, что общее содержание азотистых соединений в почвах агроландшафтов существенно ниже, чем в их естественных ландшафтах-аналогах (табл.1). Средние величины Nöda для почв каждого типа

% N(uuh.) от AMC

Рис. 1. Доля минерального (N,„„, горизонт 0-20см.) от общего пула мобильного азота (среднестатистические данные)

§

d> см

Е

ШРРР*««

I

■ биогеоценозы □ агрогеоценозы

10 15

Щнит.) иг/кг почвы

20

25

Рис. 2. Среднестатистическое содержание N-NO3" в условном почвенном профиле (биогеоценозы п=232; агрогеоценозы п=592)

Таблица 3. Азотминерализующая способность и содержание азотистых соединений в почвах различных элементарных ландшафтов

Почва ЭЛ Растительность АМС N-N14/ мг Ы/кг ^(мин) Ныш,) С (%) ст

дерново-подзолистая Э лес 82,3 6,5 13,7 20,4 1400 1,12 8,5

(среднесуглинистая) Э кормовая свекла 125,9 24,8 12,4 27,2 1042 0,91 8,7

дерново-подзолистая Э лес 35,9 1,3 3,4 4,7 1020 0,58 5,6

(легкосуглинистая) Э многолетние травы 78,6 6,5 7,7 14,2 891 0,72 8,8

темно-серая лесная Э лес 102,5 8,4 6,2 14,6 1790 2,35 13,1

Э: озимая пшеница 76,3 3,9 3,4 17,3 1549 1,89 12,2

серая лесная Т-Э естественный луг • 64,2 7,8 3,2 11,0 1690 1,25 7,4

Т-Э ячмень 26,9 5,9 3,4 2,5 1072 1,32 12,3

чернозем Т-Э естественный луг 208,3 7,7 27,6 35,3 2470 4,49 18,2

выщелоченный Т-Э ячмень 83,4 20,4 17,7 38,1 1986 3,51 17,7

ЭЛ- тип элементарного ландшафта (Э- элювиальный, Т-Э - трансэлювиальный)

• элементарного агроландшафта колебались в пределах 750-1680 мг N/кг, а для естественных ландшафтов - в пределах 960-2670 мг N/кг. Аналогичная тенденция наблюдалась для органического углерода, содержание которого в почвах агроландшафтов в большинстве случаев было ниже, чем в естественных ландшафтах-аналогах. В то же время, доля мобильного азота от его общих запасов в почвах агроландшафтов выше по сравнению с этой величиной в естественных ландшафтах-аналогах (табл. 2). Отсюда следует, что уровень почвенного азота, активно трансформируемого в процессе его биогеохимического круговорота, возрастает в почвах агроландшафтов.

Доля минерального азота от общего пула мобильного азота в почвах агроландшафтов заметно ниже, чем в их естественных ландшафтах-аналогах, и эта разница наиболее ярко выражена для транзитных ландшафтов (рис. 1). Различие обусловлено повышенной интенсивностью процессов трансформации вещества в агроэкосистемах (накопление азота биомассой растений, денитрификация и др.), а также его повышенной радиальной и латеральной миграцией. Так, например, если для верхних (0-20см) горизонтов почв био- и агрогеоценозов содержание N-NO3" характеризуется близкими значениями, то в горизонтах 20-100см наблюдается значительное увеличение N-NO3" в агрогеоценозах по сравнению с биогеоценозами (рис. 2).

Как уже отмечалось, почвенный покров Московской области достаточно разнообразен. Наряду с дерново-подзолистыми, составляющими основной почвенный фон изучаемого региона, представлены серые лесные почвы, а также черноземы выщелоченные и оподзоленные. Проведенные исследования . показали, что агротехногенное воздействие на почвы различного генезиса неоднозначно влияет на величину их азотминерализующей способности.

В дерново-подзолистых почвах агроландшафтов AMC выше, чем в их естественных ландшафтах-аналогах, тогда как сельскохозяйственное использование темно-серых лесных почв и черноземов приводит к снижению этой величины (табл. 3). Отмеченные изменения, по-видимому, обусловлены существенной трансформацией органического вещества почв при их окультуривании, по-разному проявляющейся в почвах различного генезиса (Кауричев, 1983; Фокин и др., 1984; Орлов, 1992 и др.). Изменения, прежде всего, сказываются на содержании легкоминерализуемых азотсодержащих соединений почвы (Акентьева, 1975 и др.) и на составе активно функционирующего микробоценоза почв (Звягенцев и др., 1989; Кураков и др., 1989 и др.). При окультуривании дерново-подзолистых почв внесение минеральных и особенно органических удобрений, регулирование кислотности почвы, проведение других агротехнических мероприятий способствуют повышению плодородия данных почв и улучшению питательного статуса по

п

сравнению с их естественными аналогами. В то же время, интенсивное и часто экологически необоснованное использование почв, обладающих высоким естественным потенциалом плодородия, таких как темно-серые лесные почвы и черноземы, приводит к их истощению, что подтверждает выводы, полученные другими исследователями (Фокин, 1984; Орлов; 1992; Полянская и др., 1997; Курганова, 1999 и др.).

4.3. Азотминерализующая способность почв и содержание нитратного азота в*почвенно-грунтовых водах

Воздействие азота, дополнительно поступающего в экосистему, следует рассматривать как мощный антропогенный фактор, существенно изменяющий естественный биогеохимический круговорот азота. В период проведения полевых исследований обнаружены водоисточники, в которых содержание нитратов близко к ПДК (> 7,5 мг N-NOs'/n) и является критическим, а также водоисточники, в которых концентрация нитратного азота превышает ПДК в 1,5-2,5 раза (до 24 мг Ы-ЫОз'/л). Известно, что потери азота удобрений с внутрипочвенным стоком редко превышают 1-5% от внесенного количества (Варюшкина, 1975; Смирнов, 1985; Кудеяров, Кузнецова, 1990,1991; Соколов и др., 1990; Никитишен и др., 1990; Сирота, 1986,1990; Кидин, 1993 и др.). Следовательно, из азотных удобрений вымывается такое количество нитратного азота, которое вряд ли может привести к реально обнаруживаемому уровню N-NOj' в поверхностных и грунтовых водах.

Таким образом, наблюдаемое накопление нитратного азота в почвенно-грунтовых водах происходит преимущественно за счет азота почвенного происхождения, что подтверждается выявленной зависимостью между величинами AMC почв и содержанием нитратного азопга в почвенно-грунтовых водах. Для разных элементарных ландшафтов получены следующие коэффициенты корреляции: Э (0,37; п=56); Т-Э (0,48; п=36); Т-Э-А (0,61; п=40); А (0,62; п=58). Более тесная связь между содержанием нитратного азота в почвенно-грунтовых водах и AMC почв наблюдалась для аккумулятивных ландшафтов, в которых почвенно-грунтовые воды, как правило, расположены близко от поверхности. Отсюда следует, что нерациональное применение азотных удобрений в условиях аккумулятивных ландшафтов, почвы которых обладают высокой AMC, ведет к экологически неблагоприятному расходу естественных запасов азота. В этом случае радиальный миграционный поток азотистых соединений может усиливаться за счет дополнительного поступления вещества из вышерасположенных участков в результате латеральной миграции. Скорость латерального потока и интенсивность радиальной миграции азотистых соединений определяется совокупностью как внешних, так и

внутренних факторов (расчлененностью рельефа, вносимыми агрохимикатами, физико-химическими почвенными характеристиками, физиологическим фактором и т.д.). Поэтому коэффициенты корреляции, полученные в результате полевых наблюдений при разнообразии почвенных условий такого региона как Московская область, не могут быть высокими. Однако данные зависимости достоверны на достаточно "жестком" уровне значимости (р<0,01), что дает основание признать существование данной закономерности.

В связи с этим, практика применения азотных удобрений должна основываться на экологически безопасных нормах, сроках и способах внесения удобрений с учетом почвенно-геохимических условий элементарных агроландшафтов и их сопряжений. Количественное определение реального пула мобильного азота почвы является не только важным условием эффективного и экологически безопасного применения азотных удобрений, но и дает возможность прогнозировать последствия их влияния на экосистему в целом.

4.4. Азотминерачизующая способность почв и содержание в почвах подвижных форм микроэлементов

Установленные нами особенности распределения азотминерализующей способности почвы в пределах почвенно-геохимических катен аналогичны распределению в тех же почвах микроэлементов (Учватов, 1994). Сопряженный анализ величин AMC и содержания микроэлементов в почвах различных ландшафтных позиций позволил получить следующие уравнения множественной регрессионной зависимости AMC (у) от содержания подвижных форм элементов (х) в почве (п =148):

у = 52,696 + 52,885Си - 0,591 Mn - 0,564(NMh„) +4,907 (NH/oc) +

+ 66,098Мо -17,954Со + 1,844(N03"), [ 1 ]

где коэффициент детерминации г2 = 0,612, соответствующие значения критерия Т: 3,95;-1,99; 1,64;-1,31; 1,24.

Как видно из уравнения [1] основным предиктором величин азотминерализующей способности почвы является содержание меди в подвижной форме.

Наиболее тесная связь между величинами AMC выявлена для элювиальных ландшафтов (п =37):

у = 64,81 + 44,65Си - 1,12Mn -21,59Со - 2,44(NMK„) + 5,79(NH,+^«) + +3,43Мо, [2]

X 3,5 ^ Л

з: 3

О)

§ 2,5 <т> О.

0

а?

1 о

2 1.5

0.5 -

□ контроль Лм/Э

Т-Э

Т-Э-А

Рис. 3. Содержание общего азота в растениях в зависимости от вносимых микроэлементов (в начале вегетационного периода, первый укос)

О

Рис. 4. Величина АМС почвы з та ж.чэсгн от вносимых шл-тколемеитов (з начало сегета'.июнкгл о периода, перг-ак ^ кос) Контроль - КпРоКлСио2иоМоо, м/э - ЫоРоКоСааЛп! <Ма» (мг/кг) Э, Т-Э,Т-Э-А, А - почэы, отобр;.:>ныс из различны элемегтсаргыь ландшафтов

где г2 = 0,81; Т: 4,23; 2,02; -1,2; 1,01; 0,9.

Проведенные модельные эксперименты при компостировании почвы с внесением В, Zn, Си, Mo, Cd, Fe, Со, Мп показали, что AMC зависит от дозы их внесения. Увеличение содержания того или иного элемента в почве может изменить естественный режим и направленность внутрипочвенных процессов, что отражается на величине азотминерализующей способности почвы.

4.5. Зависимость величины азотминерапизующей способности почвы от оежи.\ю азотного питания и содержания микроэлементов (Си, 7ч, Мо) в системе почва-растение

В вегетационном эксперименте показано, что изменение AMC в течение вегетации растений зависит от свойств почвы, режима азотного питания растений и содержания в почве микроэлементов. Более интенсивное поступление азота удобрений в растения наблюдалось в начальный период вегетации. Динамика этого процесса и конечный вынос Ыуд. зависели от почвенных условий и уровня вносимых доз. Между величинами AMC и накоплением NyA в растениях установлена достоверная обратная корреляционная зависимость (г = - 0,83; п=32).

Одновременное внесение в почву макро- и микроэлементов приводило к росту величины азотминерализующей способности почвы по сравнению с контрольным вариантом. Отдельное внесение микроэлементов в почву приводило к увеличению накопления азота растениями во всех вариантах (рис. 3). При этом величина азотминерализующей способности почвы была значительно выше контрольных вариантов (рис. 4). Это свидетельствует о том, что дополнительное внесение Си, Zn, Mo изменяет интенсивность процессов минерализации азотсодержащих органических веществ почвы, что, в свою очередь, отражается на поступлении почвенного азота в растения. В начальный период вегетации растений отмечалась тесная корреляционная зависимость между азотминерализующей способностью почвы и содержанием подвижных форм микроэлементов, извлекаемых аммонийно-ацетатным буфером+ЭДТА (рН4,5) Си (0,94), Zn (0,79). В свою очередь, к концу вегетации зафиксирована связь AMC с содержанием металлов в почве, извлекаемые HCl (1н) Си (0,53), Zn (0,54). По-видимому, изменение азотного режима почвы определяется не только запасами микроэлементов, присутствующих в почве, но и формами, определяющими их подвижность.

Таким образом, при оценке внутрипочвенной трансформации- азота и поступлении этого элемента в растения следует учитывать содержание

микроэлементов в почве, так как последние, в силу своей биофильности, могут

оказывать значительное влияние на метаболизм азота в системе почва-растение.

Выводы

1. Величина азотминерапизующей способности почв является комплексным показателем для характеристики основных процессов биогеохимического цикла азота. Выявлено, что минимальные величины азотминерапизующей способности характерны для почв трансэлювиальных ландшафтов, а максимальные - для аккумулятивных ландшафтов.

2. Длительное сельскохозяйственное использование почв различного генезиса на территории Московской области привело к существенным изменениям их углеродного и азотного режимов, что и определяло наблюдаемые различия между величинами азотминерапизующей способности почв агроландшафтоп по сравнению с их естественными аналогами. В агроламдшафтах дерново-подзолистых почв уровень азотминерализующей способности увеличивался по сравнению с их естественными ландшафтами-аналогами, тогда как в почвах, обладающих большим естественным потенциалом плодородия (темно-серые лесные, черноземы), наблюдалась противоположная тенденция.

3. Полученная зависимость между величинами азотминерализующей способности почв и содержанием нитратного азота в почвенно-грунтовых водах свидетельствует о том, что поступление нитратного азота в почвенно-грунтовые воды происходит за счет азота почтенного происхождения. Таким образом, при высокой азошобняизующей способности почв в условиях их интенсивного сельскохозяйственного использования возможен экологически неблагоприятный расход естественных запасов почвенного азота.

4. Выявлено, что агротехногенное использование почв сопровождается уменьшением общего содержания азотистых соединений в гумусовых горизонтах исследуемого региона, однако, доля мобильного пула азоте от общих запасов этого элемента а пс.чьах агроландшафтов гсзрастает. Показано увеличение содержания нитратного азота б ни:::ких горизонтах почв агрогеоценозоа по сравнению с биогеоценозами.

5. Аппроксимирована взаимосвязь мевду ьеличипамг; АМС и содержанием мобильных форм макроэлементов, которая сввдггельсп.угт о том, что при

оценке азотного режима почв следует учитывать наличие в них подвижных форм микроэлементов. В. В модельных экспериментах показано, что изменение азотного режима как почвы, так и растеший связано с уровнем содержания подвижных форм микроэлементов в почве. Дополнительное внесение Cu, Zn, Mo влияет на величину азотминерализующей способности почвы, что может отражаться на поступлении почвенного азота в растения.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

1. Башкин В. Н., Головнина Н. О., Козлов AV. Я. Влияние ландшафтно-геохимических условии на азотминерализующую способность почв //' Сборник научных трудов «Гумус и азот в земледелии Нечерноземной зоны РСФСР», Ленинград, 1990, с. 11—15.

2. Bashkin V. N., Golovnina N. О., Trillinbsrer Т. P. Modelling ecologi-caly optimal fertilizer use and ccosistem productivity on the base of nitro-genminerallizing capasity determination // Poda, 1990, p. 34—46.

3. Башкин В. H., Учватов В. П., Припутина И. В., Лучнцкая О. А., Козлов М. Я., Волошина О. Н., Головнина Н. О. Экологически оптимальная биопродуктнвность агроландшафтов // Экспериментальная экология, М.: Наука, 1991, с. 214 — 246.

4. Галнулин Р. В., Галиулина Р. А., Головнина Н. О., Семенова Н. А., Башкин В. Н. Действие азотных удобрений на биохимические свойства почвы//Химизация сельского хозяйства. 1991, № 9, с. 41 —43.

5. Башкин В. Н., Головнина Н. О. Способ прогнозирования поведения азота в агролапдшафтах // Бюл. открытий и изобретений, 1992, № 29.

6. Головнина Н. О. Агроэкологическдя оценка азотминерализующей способности почв /7 Химизация сельского хозяйства. 1992, № 2, с. 21 —24.

7. Башкин В. Н., Учватов В. П., Галнулин Р. В., Припутина И. В., Лучицкая О. А., Головнина Н. О., Галиулина Р. А. Эколого-агрогеохими-ческая оценка использования водоохранных зон//Эколого-агро-еохими-ческое районирование Московской области, Пущина, 1992, с. 44 —82.

8. Головнина Н. О. Изменение азотного режима в системе почва-растение в зависимости от содержания азота и микроэлементов (Си. Zn, Mo) в почве/7 Тяжелые металлы в окружающей среде, Пущино, ОНТИ, 1997, с. 15 — 24.

9. Головнина Н. О. Влияние биогеохимических условий на уровень минерализации азотсодержащих органических соединений // Физико-химические и экологические проблемы почвоведения, Пущино, 1999, с.5 — 6; а так,же 11 тезисов конференций, включая 7 международных.

Объем 1 п. л.

Заказ 102

Типография Излатсльствп МСХА 127350, Москва, Тимирязевская ул., д. 44

Тираж 100

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Головнина, Наталья Олеговна

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Некоторые аспекты биогеохимического круговорота азота.

1.1.2. Процессы минерализации и иммобилизации азота в почве.

1.1.3. Влияние азота удобрений на минерализацию органических азотсодержащих соединений в почве.

1.1.4. Определение азотминерализующей способности почвы.

1.2. Некоторые аспекты круговорота микроэлементов (Си, Ъъ, Мо).

1.2.1. Геохимическая миграция микроэлементов (Си, Ъп, Мо).

1.2.2. Биогенная миграция микроэлементов (Си, Ъа, Мо).

1.2.3. Физиологическая активность микроэлементов (Си, 7л\, Мо)

1.2.4. Взаимодействие между микро- и макроэлементами.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Глава 3. ПРИРОДНЫЕ И АНТРОПОГЕННЫЕ ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ СТРУКТУРУ ЛАНДШАФТОВ

МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ.

Глава 4. ВЛИЯНИЕ АГРОГЕОХИМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА АЗОТМИНЕРАЛИЗУЮЩУЮ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ.

4.1. Азотминерализующая способность почв и содержание азотистых соединений в почвенно-геохимических катенах.

4.2. Изменение величины азотминерализующей способности почвы в агроландшафтах.

4.3. Азотминерализующая способность почв и содержание нитратного азота в почвенно-грунтовых водах.

4.4. Азотминерализующая способность почв и содержание в почвах мшдюэдемеитов.

4,5. Зависимость величины азотминерализующей способности почвы от режима азотного питания и содержания микроэлементов

Сл. Мо") в системе почва-тстения.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Агроэкологическая оценка азотминерализующей способности почв Московской области"

Как известно, соединения азота играют огромную роль в создании биомассы и функционировании природных и агрогенных экосистем. Успешное решете проблемы рационального использования природных ресурсов азота, включая ее экологические аспекты, возможно только при изучении процессов, обуславливающих трансформацию азота как во внутрипочвенном цикле агроценозов, так и в сопряженных с ними экосистемах. Выявление количественных параметров интенсивности этих процессов в конкретных почвенных и агроклиматических условиях, а также разработка на их основе критериев оценки функционирования агроландшафтов особенно своевременны, поскольку необходимы для поддержания оптимального почвенного ресурса азота и нормирования антропогенных нагрузок, обусловленных интенсивным сельскохозяйственным производством.

Оценка азотного режима почв должна основываться на определении того пула азота почвы, который способен к активной биогенной трансформации. Количественным критерием оценки азота, активно участвующего в биогеохимическом круговороте, может служить величина азотминерализующей способности почв (Башкин, Кудеяпов, 4987). Подобно большинству биогеохимических показателей величина азотминерализующей способности почвы зависит от ландшафтно-геохимической организованности биосферы. Поэтому при решении проблем рационального использования природных ресурсов азота, получения экологически оптимальной продуктивности агроландшафтов, минимизации отрицательного воздействия агротехногенных соединений азота на окружающую среду необходимо комплексное использование агрохимических и ландшафтио-геохимических методов исследований.

Цели и задачи исследований

Целью данной работы было оценить возможность использования величины азотминерализующей способности почв для решения проблем эколого-агрогеохимического мониторинга и выявить факторы, определяющие количественные изменения мобильного пула азота на примере различных сельскохозяйственных и природных ландшафтов Московской области.

В связи с этим, в основные задачи исследований входило:

1. Определить величину азотминерализующей способности почв различных элементарных ландшафтов Московской области (элювиальный, трансэлювиальный, аккумулятивный) в условиях их почвенно-геохимических сопряжений.

2. Сравнить полученные значения азотминерализующей способности почв агроландшафтов и их естественных ландшафтов-аналогов.

3. Оценить влияние почвенно-геохимических и биогеохимических факторов на величину азотминерализующей способности почвы.

Научная новизна

Впервые дана оценка изменений азотминерализующей способности почв агрогеоценозов и их аналогов - естественных биоценозов на примере ландшафтов Московской области. Показано, что изменение этих величин зависит от природной структуры организованности территории, типа элементарного ландшафта, степени окультуренности почв и содержания в почве подвижных форм микроэлементов. В модельных экспериментах выявлено, что изменение микроэлементного режима почвы оказывает влияние на интенсивность процесса мобилизации почвенного азота, что отражается на поступлении его в растения.

Практическая значимость

Полученные закономерности изменения азотминерализующей способности почв могут быть использованы для оценки мобильного пула азота почвы в условиях сопряженных агроландшафтов, что позволяет делать прогноз азотного режима агроэкосистем более информативным и дифференцировать выбор вносимых доз удобрений, учитывая биологические источники азота и ландшафтную структуру территории.

Данная работа выполнена автором в лаборатории биогеохимии агроландшафтов ИФПБ РАН в рамках исследований по агрогеохими ч ескому районированию территории Московской области. Лично автором проведены количественное определение величин азотминерализующей способности почв различных ландшафтов исследуемого региона, а также модельные и вегетационные эксперименты по более детальной оценке факторов, влияющих на азотминерализующую способность почвы. В сумме автором подготовлено к химическому анализу и проанализировано более 500 почвенных и 500 растительных образцов. Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному руководителю работы проф. д.б.н. Башкину В.Н. и сотрудникам ИФПБ РАН, ИФХиБПП РАН инж. Смирновой В.П., вед. инж Русановой Т.В., д.б.н. Учватову В.П., к.б.н. Васильевой Г.К. за помощь при проведении экспериментальных работ, за советы и важные замечания при предварительном представлении работы. Особую благодарность автор выражает к.г.н Припутиной И.В. за предоставление экспериментальных данных внутрипрофильного распределения азотистыхх соединений в почвах Московской области и содержания Ы-ЫО'з в почвенно-грунтовых водах и за поддержку при подготовке диссертационной работы к защите. Неоценимая помощь в проведении изотопного анализа азотных соединений в почве и растениях была оказана автору д.б.н. Осиповым А.И.