Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биохимическая трансформация органических удобрений в дерново-подзолистой почве разной степени гумусированности

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Биохимическая трансформация органических удобрений в дерново-подзолистой почве разной степени гумусированности"

[?7 5 "

САШСГ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИЕЕРСИТЕТ

На правах рукописи

БАЛАЯН Тамара Вазгеновна

УДК 631.445.245/631.417+631.8/

Ш ОХИ)ШЧЕС КА Я ТРАНСФОРМАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ В ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЕ РАЗНОЙ СТЕПЕНИ ГУМУСИРОВАННОСТИ

Специальность 03.00.27 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата сельскохозяйственных наук

Санкт-Петербург 1992

Работа выполнена в Северо-Западном научно-производственной объединении по селекции и растениеводству "Белогорка"

Научный руководитель» академик РАСХН, доктор сельскохозяйственных наук, профессор В.А.Семёнов

Официальные оппоненты: доктор биологических наун

Ведущая организация» Почвенный институт им.В.В.Докучаева

Защита диссертации состоится 14 мая 1992 года в 14 час. 30 мин. на заседании специализированного совета К 120.37.01 по присувдению учёной степени кандидата сельскохозяйственных наук в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете по адресу: 189620, Санкт-Петербург, Пушкин, Ленинградское шоссе, 2 , ауд. 444

С диссертацией мояно ознакомиться в библиотека Санкт-Петербургского государственного аграрного университета.

Автореферат разослан /3 апреля 1992 года

Учёный секретарь специ- >—

ализированного советг "

кандидат с.-х. наук В.П.Царвнко

Н.С.Паников}

кандидат сельскохозяйственных наук

М.В.Новицкий

ти с.:.

I

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ктуальность теш. За последние 20-25 лет в почвах Нечер-

неземной зоны РСФСР темпы потерь гумуса в результагэ его минерализации составили 0.5-1.7 т/га в год, достигая в паровых полях 3-5 т/га в'год (В.Г.Микеев, 1994). В связи с отигл проблема стабилизации и, тем более, создания положительного баланса органического вещества в почве остается остро актуальной. В настоящее время она решается двумя путями: внесением достаточных количеств органических удобрений и расширением травяного клина в севооборотах. Эти традиционные агротехнические приемы нуждаются в дополнительном обосновании с точки зрения биохимических процессов трансформации органического вещества,участия в этих превращениях микроорганизмов и их метаболитов с далью регулирования биологической активности почвы (0.А.Берестецкий, 1984; А.М.Лыков,1985; Т.В.Аркетовекая,1980).Исследование трансформации различных органических удобрений и их воздействие на параметры биологической активности необходимо конкретизировать для различных зон и почв,поскольку направление и скорость биохимических процессов зависят одновременно от деятельности 'Человека и от природных условий. Одним из таких условий является разная гуцусированность почвы,которая определяет характер и интенсивность превращений органических веществ,поступающих в почву.Это положение и послужило мотивировкой при определении целей и задач нашей работа. -

Цель и задачи исследований. Основная цель работы - изучить процессы биохимической трансформации различных органических удобрений в дерново-подзолистой почве разной степени гумусиро-вангости и их влияние на урожайность сельскохозяйственных культур. Исходя из- этой цели- были поставлены следующие задачи:

- с помощью показателей биологической активности исследовать основные составляющие углеродного и азотного режима дерново-подзолистой почвы в течение периода вегетации растений;

- определить минерализационные потери С и и в почвах с разным содержанием гумуса в- кару и под растениями;

- выяснить эффективность различных органических удобрений на определенных уровнях гущусированности почвы;

- найти- диагностические показатели биологической активности,наиболее тесно связанные с урожайностью растений и уровнем плодородия почвы.

Научная новизна. Впервые в условиях Северо-запада Нечерно-

земной зоны РСФСР на дерново-подзолистой почве с разним содержанием гумуса проведены динамические исследования процессов трансформации органических удобрений с применением комплекса показателей биологической активности. В работе использован новый' погенциоиетрический метод измерения актуальной концентрации углекислого газа. Впервые для описания зависимостей мевду плодородием почвы.урожайностью растений и показателями биологической активности применены специальные методы многомерного статистического анализа и дана интерпретация полученных связей.

Практическая ценность работы. Установлены закономерности биохимической трансформации органических удобрений на различных уровнях гумусированности почвы. Получены наиболее информативные параметры биологической активности и функции,характеризующие урожайность растений,гумусированность почвы, различные органические удобрения. Эти параметры и функции можно использовать как важную дополнительную характеристику уровня плодородия дерново-подзолистой почвы.

Апробация и публикации работы. Основные положения работы были доложены и обсуждены на научно-технических советах поч-венно-агрохимического центра СЗНПО"Белогорка"на всесоюзной конференции "Интенсивное земледелие и охрана окружающей среды" (Волгоград,1990), на всесоюзном симпозиуме молодых ученых "Рациональное использование и охрана водных ресурсов от' загрязнения" (Харьков,1990), на конференции молодых ученых "Плодородие почв в интенсивном зешеделии"(Минск,1991),на научно-практических конференциях "Вклад молодых ученых в интенсификацию сельского хозяйства УССР"(Киев,1990,1991),на международной конференции "Молодежь и экология"(Кишинев,1991). По материалам диссертации опубликовано 6 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части (4 глав), выводов и библиографии,включающей 180 наименований,из них 27 - на иностранных языках. Работа изложена на 205 страницах машинописного текста, содержит 30 таблиц и 38 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. МИНЕРАЛИЗАЦИЯ ГУМУСА С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ПОЧВЫ

В данной главе рассмотрены различные методы и подходы к изучений биологической активности почвы при внесении в нее органических и минеральных удобрений. Закономерности биохимической

трансформации С и N в почве обобщены с помощью математических моделей,представленных отечественными и зарубежными авторами.

2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОЛУ ИССЛЕДОВАНИЙ Работа выполнена в течение I988-I99I гг. В качестве объектов исследования были выбраны дерново-подзолистые почвы, наиболее широко распространенные на Северо-Западе России. Исследования биохимической трансформации органических удобрений проводились на почвах разной степени гумусирозанности,взятых из многолетнего полевого опыта Л 5 отдела агропочвоведения СЗНПО "Белогорка". Били отобраны почвы с содержанием гумуса -1.5$, 2.5%, 3.5% и выравненные по остальным агрохимическим показателям: реакция среды (рН=5.8-6.0), содержание подвижных фосфатов (по Кирсанову)- 19.0-25.0 мг PgOg/IOO г почвы; содержание подвижного калия (по Кирсанову) -9.7-13.0 № KgO/IOO г почвы.Вес-ной 1988 года был заложен микрополевой опыт со следующей схемой (табл.2). В сосуды почв с разным содержанием гумуса были внесены минеральное азотное удобрение ( от^ павоз-, торф и зеленая масса люпина в количестве эквивалентном' вггосит.аду минеральному азоту - 1.3 г и/сосуд. Органические удобрения йип внесеш единовременно в количестве от 200 до 600 г/сосуд.Запланированное на 3 года количество минерального азотного удобрения было разделено на 3 чаюти и вносилось каждый год. Фосфоряо-калийный фон создавался ежегодным- внесением двойного суперфосфата и хлористого калия в корме по 0.3 г Р2О5 и ^0 на сосуд. Бездонный полиэтиленовый сосуд С d =25 см,' h =30 см) содержал 15 кг почвы. Все варианты опыта были представлены в двух блоках: 1)севооборот; 2)пар. В севообороте был ячмень сорт "Бело-горский"(1 и 3 годы опыта), а также пшенида сорт "Ленинградка" (2 год опыта). Отбор образцов ггочвы производился 5 раз в течение каждого вегетационного периода, в- соответствии с основными* фазами развития растений. В' пару отбор' образцов производился? Б те же сроки. Повторггость опыта - четырехкратная. Лабораторный эксперимент проводился па образцах гсочвя ira микрополевого опята с целью определения влияния гукусироваштости почвы и различных удобрений на потенциалы минерали-зацют азота Но и углерода Со. Определение потенциала минерализации азота Но проведано по методу Д.Стэнфорда и С.Смита (1972)' в модификации В'.Б.Минина (1989). Для исследования биологической активности почв oír-ли отобраны методом площадок (0.А..Драгунов, 1971) представительные выборки на территории Ленинградской области (а =65) и Ка-

релии (п =68). Дерново-подзолистая легкосутлшшстая почва из Карелии имела широкий интервал содержания гумуса - от I до 7.5$. Образцы дерново-подзолистой легкосутлинистой почвы из Ленинградской области содержали от 0.3 до 6,3% гумуса.

Основные агрохимические свойства почвы определялись общепринятыми методами (Е.В.Аринушкина,1970). Активность инверта-зы определялась по методике А.Ш.Галстяна в модификации А.И.Чу-ндеровой (1973); активность каталазы-по Ф.Х.Хазиеву (1976). Потенциальное продуцирование СОз» а также потенциальная азот-фиксируицая и денитрификацпонная активность почвы определялась на газовом хроматографе ЛХШЛД по методу М.П.Еаикина (1986). Измерение актуальной концентрации С0£ в почве проводилось с помощью потенциомзтрического С02-датчика (Н.А.Разумова,1982) по разработанное нами методу (Т.В.Балаян, Н.А.Разумова,1991). Полуденные данные обработаны на ЭВМ с применением статистических программ ВШ)Р и statgгaphica. В работе использованы методы вариационной статистики: многофакторный дисперсионный, корреляционно-регрессионный,дискриминантный и факторный анализы.

3. БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ДЕШВО-ПОДВОДИСТОЙ ПОЧВЫ И ЕЕ ИЗМЕНЕНИЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ УДОБРЕНИЙ

1Уг.Г/с. В год внесения удобре!шй прибавки в содержании гумуса составляли от 0.10 до 0.31$, увеличиваясь от варианта с внесением сидерата к варианту с внесением торфа. Среди органических удобрений существенный эффект на положительный баланс гумуса в почве сидерат оказывает только в год внесения, навоз - в год действия и 1-й год последействия, торф - все три года после внесения. В почве о минеральным азотным удобрением содержание гумуса находилось на уровне контрольного варианта в течение 3-х лет опыта. Специфика последействия органических удобрений в почве с разным содержанием гуьуса проявилась в том, что относительные прибавки от внесения сидерата,навоза и торфа в слабо- и среднегущсированной почве были выше и сохранились на белее длительный срок по сравнению о сильноцумусированной почвой.

Содержание воднорастворимих органических веществ (ВОВ) варьировало "от 8 до 32 мг С/100 г почвы,что составляет 0.4-1.5$ от общего содержания гумуса. Наблюдения за динамикой ВОВ,а также других показателей биологической активности проводили одновременно по 4-м факторам: I)удобрения; 2)уровень гумусированности

почвы; 3)растения (в определеннее фазы их развития); 4)фактор "время",который отражает динамику показателя в течение вегетационного периода и определяется,в первую очередь,погодными условиями. В совокупности (с учетом взаимодействий) упомянутые факторы определили от 60 до 11% всей вариации показателя ВОВ. При этом влияние удобрений в 1-й год составило 12%,а к 3-М7 году снизилось до 3% от общей вариации (табл.1). По уровню влияния на содержание ВОВ удобрения расположились в возрастающей последовательноста: минеральное азотное удобрение-торф-си-дерат-навоз. Действие растений на содержание ВОВ изменялось по мере их роста и было максимальным в период между фазой выхода в трубку и созреванием. В различные сроки периода вегетации растений вклад факторов в динамику ВОВ может изменяться, что необходимо учитывать при отборе образцов почвы для характеристики уровня ее плодородия.

Актуальное и потенциальное продуцирование СОя. Актуальная концентрация углекислого газа, измеренная с помощью•потенцио-метрического С02-датчика на глубине 10 см, варьировала от 0.10 до 1.90$ (объемных). Максимальное повышение уровня С02 по сравнению с контролем отмечено при внесении навоза и сидерата -на 0,2-0,5$. Этот показатель дает представление о реальных "мгновенных" процессах,происходящих в почве,из-за высокой динамичности он не всегда однозначно интерпретируется. Потенциальное продуцирование углекислого газа,определенное в аэробных условиях, варьировало от 30 до 70 мг С-С02/кг'сутки. Действие удобрений на■выделение С02 почвой закономерно снижалось с 1-го к 3-цу году наблюдений .В средне- и слабогуэдусировагшой почве последействие удобрений на уровень С02 было выражено больше, чем на сильногумусированной почве. В целом,влияние гумуса на потенциальное продуцирование С02 было достаточно вел into (Д= 11-18$) и сравнимо с размахом колебаний показателя в течение вегетационного периода (табл.1). На основании полученных данных рассчитано уравнение прямолинейной зависимости потенциального продуцирования COg (У, мг C-COg/icr*сутки) от 1умусирован-ности почвы {!,%) в интервале содержания гумуса 1.5-3.55? :-У = 35.69+ 7.IIX, R =0.69, п =120.

Ферментативная активность. Данные по инвертазной активности показывают,что биохимическая трансформация сидерата завершается ко 3,-щ году после его внесения,а навоза - к 3-?ду году. Легкогидролизуемач часть торфа разлагается в 1-й год,и,в даль-

нейшем,активной трансформации этого удобрения не происходит. Закономерности в изменении активности каталазы.в основном,соответствовали наблюдаемым для инвертазной активности.

Содержание Н-Н0д" ■ Трансформация азота органических удобрений (нитрификационный процесс) активно происходит только в год их внесения. Во 2-й и 3-й годы в почве с навозом и сидера-том содержалось, приблизительно столько же нитратов,сколько в почве без удобрений (не более 20 мг Н-Н0з~/кг). Ежегодное /внесение минерального азота резко повышало содержание нитратов в начале вегетационного периода - в 3-4 раза по сравнению с контролем,в конце вегетации различия сглаживались. По содержанию нитратов в период активного роста растений и степени доступности азота удобрения можно расположить в.возрастающий рад: торф-почва без удобрений - навоз - сидерат-минеральное азотное удобрение. Летом в почве под растениями нитраты не обнаруживались, хотя их образование происходило,что подтверждает прямая пропорциональная связь между урожайностью биомассы' и . накоплением нитратов в пару. Самая высокая вариация содержания li-NO^" "В почве - до 59$, была обусловлена его изменчивостью в течение вегетационного периода (табл.1). Уменьшение количества нитратов в пару в середине лета определялось как иммобилизацией, так и возрастанием потенциальной денитрификации.

Потенциальная декигрифжсация в 1-й год действия удобрегний имела максимальные значения в почве с внесением сидерата-до 14 мг N-N20 /кг, а во второй год набщцений - в почве с внесением минерального азотного удобрения - до 12 мг ы-н2о /кг.Низкое содержание нитратов в почве во 2-й год действия удобрений было главным фактором, ограничивающим денитрификации. В первый же год при относительно высоком содержании N-N0J в почве всех вариантов определяющим фактором боло наличие органического вещэства. Связь потенциальной денитрификации (У,мг к-к2о / кг) с содержанием нитратов в почве XX,мг h-noJ /кг) аппроксимируется логарифмической функцией,а с уровнем потенциального продуцирования углекислого газа (Xj, мг О-СОз/кг-сутки) -линейкой функцией: У= 0.19+3.70 ¿a x+0.06Xj r = 0.50, n = 120.

Потенциальная несимбиотическая азотфиксирующая активность почвы варьировала от 20 до.300 мкг N-NH3 /кг-сутки. Максимальные значения показателя наблюдались в почве с внесением навоза и сздерата-от 85 до 150 мкг н-нн3 /кг-сутки. При внесении торфа и минерального азотного удобрения активность N -фиксации б

не увеличилась. Общий уровень азотфиксируквдей активности в среднем по вариантам снизился в 1.6 раза ко 2-му году наблюдений. Влияние растений на уровень азотфиксации было достаточно высоким во 2-й год (табл.1) благодаря интенсивному потреблению нитратов-растениями и поступлению корневых выделений,которые в год последействия: удобрений были основным доступным источником углерода для диазотрофов. При внесении различных ■ удобрений необходимо учитывать уровень N-1103" в почве и интенсивность продуцирования углекислого газа для создания оптимального соотношения процессов азотфиксации и денитрификации.

Таблица I

Действие главных эффектов факторов на показатели биологической активности почвы (коэффициенты детерминации Д, %)

Показатели

_ Факторы__

''Удобрения" 'ЧУмуо" "Растения" ".цремя"

I 2 3 I 2 3 I 2 3 12 3

I.Содержание водно-растворимых органических веществ 12 3 3 14 21 7 I 3 I 25 39 35

2.Потенциальное продуцирование СО2 8 8 2 II 17 18 2 4 4 54 17 26

З.Инвертазная активность 8 6 4 10 18 22 0 I 2 30 38 50

4.Содержание N-N0" в почве (в пару) 16 27 30 0 3 5 59 41 45

5.Потенциальная де-нитрификация 3 9 X 6 6 X 31 6 X II 39 х

6. н-фиксирупцая активность 3 3 X 2 3 X I 12 X 60 19 х

хДисперсионный анализ вариации показателей потенциальной де-нитрификации и н -фиксации в 3-й год опыта не проводился.

Потенциалы минерализации Но и Со количественно характеризуют наиболее активную часть углерода и азота,участвующую в метаболизме почвы и формирующую урожай растений. Зависимость количества минерализовавшегося азота и углерода от времени инкубирования в первом приближении можно аппроксимировать линейной моделью. В нашем опыте количество потенциально минерализуемых соединений азота за 100 суток составило в среднем 100-150 мг n/кг почвы, в зависимости от уровня гукогоированности и вида вносимых удобрений. Количество минерализовавшегося за этот же период углерода в виде воднорастворимых органических веществ составило от 190 до 250 мг С/кг почвы, в виде углекислого

газа - от 1215 до 1540 ко1 СДг (в сумме - 7.5-16$ от общего углерода).

4. ОБОБЩЕННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТРАНСФОРМАЦИИ УДОБРЕНИЙ В ПОЧВЕ ПО ПОКАЗАТЕЛЯМ ЕЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ

Располагая данными по влиянию каждого фактора на показатели биологической активности почвы, мы попытались установить общую картину этого аспекта метаболизма почвы. Такую задачу позволяет решить дискриминантный анализ. С помощью этого анализа из всего набора показателей выбираются те, которые наиболее сильно различают органические удобрения по их влиянию на биологическую активность почвы. Затем, на основе выбранных по F-критерию показателей (дискриминантных переменных) строятся дискриминантные функции, с помощью которых можно классифицировать любое удобрение по определенной комбинации показателей биологической активности. Так, в 1-й год опыта,удобрения по влиянию на избранные параметры биологической активности можно объединить в 3 группы (рис.1,а). В первую группу входят варианты с внесением навоза и сидерата, во вторую группу - контрольные и с внесением торфа, отдельную группу образуют варианты с минеральным азотным удобрением. Такая картина говорит о том, что биохимическая трансформация навоза и сидерата имеет сходный характер в 1-й год действия и определяется высокими значениями биологической активности. Торф даже в год внесения очень слабо трансформируем и по влиянию на показатели биологической активности почвы равнозначен контрольным вариантам. Почва с внесением минерального азотного удобрения отличается от других низкой биологической активностью и высоким содержанием нитратов. Во 2-й год действия удобрения по влиянию на избранные показатели биологической активности можно объединить в 2 группы (рис.1,6). В первую группу попадают варианты почвы с внесением минерального азота, во 2-ю группу - все остальные. Вторая группа может быть разделена на 2 подгруппы: I) почва без удобрений а также с внесением торфа и сидерата; 2)почва с навозом. Такое влияние удобрений на биологическую активность объясняется тем, что сидерат почти полностью разлагается в 1-й год и в последействии по данным Показателям приближается к контрольному варианту. Навоз обладает более длительным последействием и во 2-й год Почва с его внесением характеризуется повышенной биологической активностью. В 3-Й Год действия органических удобрений различия в tex влиянии На параметра биологической активности

а/ I год

в/ 3 год

функция X

Рис. I.Классификация /объединение в группы/ различных удобрений по характеру их влияния на показатели биологической активности почвы в I год /а/,во 2 год /б/ и в 3 год /в/ опыта _'__/а =60 по каждому году/

Ввд удобрения

Обозначение

Номер

центра

группы

Координаты центров

ГО0

групп

~7

1.Контроль

2.Торф

3.Навоз

4.Сидерат

5.N-минеральный

1

2

3

4

5

1.01

0.82 -2.04

1.11

1.45 -0.22

-I.49-0.38

1.70

-1.96

0.98 0.89 1.65 0.78 -4.31

0.47 0.28 0.07 0.24 [-0.13

0.63 0.76 0.82 0.34 -2.55

0.19 1.10 0.60 0.35 •0.04

ф 2

У г н I

к

Ц о и

У

. -2

-3 ■

с с

\ с V С _с

-8

-6

-2 0 I функция X

Рио.З Классификация уровней гуцусированности почвы по показателям ее биологической активности (и=120, за 2 года)

Уровень гуадусиро-Обозна- Номер Координаты центра группы ванности почвы чвкия группы_|_у

1.655 2,6* 3.5$

М С б

1

2 3

5.89

-1.34

-4.55

0.16

-0.53 0.37

Р

РР РРРРР -

РРР РР РРР РР ррррррр рррр рррр

-5

т -3

пп пп ппп пппппп пппппп пп ппппп

0 — 3 I функция X

Рис.3 Группировка дерново-подзолистых почв,находящихся в пару и под посевами,по показателям их биологической активности (п = 60, 8Й I год)

." Почва

Под паром Под растениями

Обозначения

*П Р

Номер группы

1

2

Координата пзнтра

2.7 -2.7

5

стираются,что хорошо подтверждает дискришнантшй анализ. На рис.1,в можно выделить 2 группы: варианты с внесением минерального азота и все остальные. В последней группе варианты почвы с торфом образуют отдельную подгруппу. Следует отметить, что в разные годы действия удобрений в качестве наиболее контрастных ,индикаторных переменных в дискришнантных функциях присутствовали параметры,' характеризущие углеродный, азотный и физический режимы почвы: содержание 11-110-3" в почве в начале вегетационного периода,количество воднорастворишх органических веществ и уровень потенциального продуцирования углекислого газа, а также влажность почвы.

Проведенный дискриминантшй анализ влияния различных уровней гумусированности почвы на биологическую активность показал, что разделение этих уровней идет по многим параметрам. Сильногумусированная почва (3.5%) имеет более высокие значения параметров биологической активности и влажности,в отличие от слабогумусированной почвы (1.5%) (рис.2). Промежуточное положение между ними запишет почва с содержанием гуцуса 2.5%.

При исследовании различий в биологической активности почвы пара и занятой посевами показано, что для парующих вариантов, в первую очередь, характерна высокая влажность в течение вегетационного периода,большое количество нитратов и,следовательно, повышенная денитрификация. Значения показателей воднораствори-мого органического вещзства, потенциального продуцирования углекислого газа - более высокие в почве под растениями.В почве под посевами идет вынос элементов питания, но активность йета-болических процессов, в том числе "дыхания" почвы, выше,чем в пару, благодаря экстрацеллюлярной деятельности корней. В математической интерпретации для разделения почв под посевами и паром достаточпо было всего одной функции, настолько велики различия мевду этими почвами (рис.3).

5. ДЕЙСТВИЕ И ПОСЛЕДЕЙСТВИЕ РАЗЛИЧНЫХ УДОБРЕНИЙ НА УРОЖАЙНОСТЬ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР

Влияние удобрений на урожайность зерна ячменя и пшеницы в течение 3-х лет опыта представлено в табл.2. В 1-2 год действия удобрений основными факторами,определивши!,и урожайность, бшш как содержание подвижных соединений азота в почве, так и высокий уровень легкоразлагаемого органического вещества. Максимальные значения этих показателей характерны для Почвы о внесением сидерата (урожайность зерна на этом варианта была

Таблица 2

Урожайность зерна ячменя (1-й и 3-й годы) и зерна пшеницы (2-й год опыта)

Числитель: абсолютные значения урожайности, г/сосуд_

Знаменатель: прибавки в урожайности при внесении удобрений,$

I год

2 год

3 год

Варианты Контроль

Сидерат

Навоз

Торф

н -минеральный

Содержание гумуса, %

.ние

mwca

1.5 2.5 3.5 1.5 2.5 3.5 1.5 2.5 3.5

II.8 Г7.2 15.4 9.2 II.4 17.1 3.3 4.8 5.7

100 100 100 100 100 100 100 100 100

27.5 28.1 28.9 12.5 14.8 20.5 3.3 3.4 4.8

233 163 188 136 130 120 100 71 84

18.1 18.3 21.1 13.5 14.4 19.9 4.0 5.0 II.2

153 106 137 147 126 116 121 104 196

12.9 Г7.7 13.9 10.4 И.5 22.1 2.9 4.2 6.4

109 103 90 ИЗ 101 129 88 88 112

22.6 22.1 24.8 17.0 17.0 19.3 14.8 15.5 17.6

192 128 161 185 149 113 448 323 309

HCP0g=6.2

НСР05

НСР05=2.6 НСР05=2.5

НСР05 НСР05 - J-f-

НСР05 по фактору НСР, * ~ -

05

в 2 раза выше,чем на контроле). Во 2-й год опыта на слабо- и среднегумусированной почве количество доступного азота в вариантах с внесением брганических удобрений оказалось недостаточным для формирования такого же урожая, какой был получен при ежегодном внесении минерального азота. В 3-й год опыта максимальная урожайность ячменя на всех уровнях гумусированности отмечена при внесении минерального азота - в 3-4 раза выше,чем в контроле. В 3-й год действия удобрений главным фактором,определившим урожай, было содержание доступных форм азота в почве. В условном пересчете при внесении органических удобрений в нормах от 50 до 100 т/га высокую урожайность (от 2.8 до 4.0 т/га) в течение 2-х лет без дополнительного применения минерального азота можно получить на почве с содержанием гумуса 3.5%. На почве с содержанием гумуса 2.5 и 1.5$ высокую урожайность при тех se нормах удобрений можно получить лишь в первый год их действия.

Для конкретизации полученных выводов об урожайности растений били использованы некоторые показатели биологической ак-

0.6 ■ 1 -но; %о » 1 <

0.3 / ЦЫОТ1М \

0 1 Р* 1 все

-0.3 - \ • / (УГТНМЛ /

-0.6 -0.9 Л^иле. • _1- • ......• ...

-0.1 0

0.1

0.3*

0.7

0.9

3Фзктор I 0,5

Рис.4.Факторный анализ показателей биологической активности почвы

(п =60)

Таблица факторного анализа

Показатель

Общность.

Процент вариации показателя, описываемый новыми факторами (^М

Отно- 06-

Но- сите- щая

вый льный сум-

& вклад ма факто- ва-

-тор ра в риа-

вари- цш,

а^ию, ^

Факторная матрица первых 2-х факторов.Коэффициенты корреляции показателей с факторам;» .Они яв - координаты точек на рисунке

Фэк-

$актор I

тор 2

1.ГУМ7С

2.Потенциальное продуцирование С0о(аэроб-ное) й

3.Воднорастворимыо органические вещества

4.Инвертазная активность

5. н-ло^ в почва

6.Потенциальное продуцирование С02(анаэроб

7.Каталазная активность

8. и -фиксация

9. гмга^" в почве

10.Денитрификация, н-н2о

0.81 0.60

1 41.6 41.6

2 23.0 64.6

0.90 0.81

0.16 -0.03

0.71 3 9.9 74.5 0.81 0.01

0.51 4 7.0 81.6 0.67 0.39

0.70 5 6.1 87.7 -0.22 0.77

"0.55 6 3.8 91.5 0.61 0.14

0.67 7 3.3 94.8 . 0.76 -0.27

0.60 В 2.7 97.5 0.25 -0.81

0.46 9 1.4 98.9 0.70 -0.03

0.75 10 1.1 100 0.Г7 0.89

тивности почвы, характеризующие ее углеродный и азотный режимы. Корреляционный анализ показал, что связи между урожайностью и данными показателями слабые (коэффициенты корреляции <0.4). В то же время многие параметры биологической активности сильно коррелируют друг с другом,что говорит о едином источнике их вариации. Это подтверждает и факторный анализ. На рис.4 ввдн^чтобольшинство параметров биологической активности сосредоточено в одной области. Факторный анализ позволяет с помощью новых некоррелированных (ортогональных) факторов объяснить вариацию исходных показателей биологической активности. Данные свидетельствуют, что два первых новых фактора объясняют 655? всей вариации показателей биологической активности, а первых 3 фактора - уже 75%. На наш взгляд, первым новым фактором, возможно, является содержание доступного для микроорганизмов углерода. Параметрами, отражающими этот (¡актор и тесно связанными с ним, являются потенциальное продуцирование СОз, воднорастворимые органические вещества, гуцус, в меньшей степени - ферментативная активность и анаэробное продуцирование СО2. Вторым фактором может быть содержание доступного азота в почве. Параметрами.характеризующими его, являются содержание нитратов в почве, денитрификация и азотфиксирую-щая активность, в меньшей степени - содержание обменного аммония.

Исходя из предварительного анализа данных предполагаемая модель урожайности должна объединять параметры, характеризующие как углеродный,'так и азотный режимы почвы. Механизм такой модели представлялся следующим: главными факторами,определяющими урожайность, являются содержание доступного для растений азота и доступного для микробиологической трансформации углерода (естественно при высоких показателях других элементов питания растений - фосфора и калия, которые в нашем опыте создавались ежегодным внесением). Наиболее адекватной' оказалась следующая модель:

(1,17+0,33 & 1+0,01 хп) У= е и = 0.66

где У - урожайность зерна (г/сосуд), X - содержание нитратов в почве в начале вегетационного периода (мг и-но^ /кг), XJ -потенциальное продуцирование СОд в начале вегетационного периода (мг С-С02/кг*оутки). Из уравнения следует,что основным определяющим урожайность фактором является содержание доступ-

ного азота в почве. Второй фактор - доступный для микроорганизмов углерод.повышает урожай лишь при достаточно высоком значении первого фактора.

6. БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСШХ ПОЧВ СЕВЕРО-ЗАПАДНОЙ ЗОНУ РСФСР

Для того, чтобы проверить действенность показателей биологической активности, были изучены две представительные выборки дерново-подзолистых почв Ленинградской области и Карелии. Большая часть зависимостей шжду урожайностью, содержанием гутдуса и показателями биологической активности" аппроксимировалась уравнениями типа у= а+ъ(/п I и у-е * с коэффициентами корреляции г =0.25-0.40. Теснота связей между урожайностью сельскохозяйственных культур и параметрами биологической активности была не меньше,чем между урожайностью и содержанием гумуса. Это объясняется тем,что биологическая активность тесно связана с содержанием гумуса в почве. Общий источник варьирования показателей биологической активности,гумуса и урожайности растений подтвердил и факторный анализ. Поэтому для установления зависимостей,особенно множественных, между урожайностью и показателями активности можно использовать не более 2-3 параметров,связанных с углеродным и азотным режимами почв.

вывода

1. Изучены процессы биохимической трансформации органических удобрений в дерново-подзолистой почзе. Наиболее информативными показателятли,отражающими интенсивность и направленность трансформации Сов почве являются уровень продуцирования СС>2 почвой,содержание воднорастворимых органических веществ, активность инвертазы (характеризующие доступный для микроорганизмов углерод почвы), а также активность нитрификации, величина потенциала минерализации азота,уровень денитрификации (характеризующие количество доступного для минерализации азота).

2. Различные удобрения по скорости биохимической трансформации можно расположить в возрастающей последовательности: торфснавоз<сидерат<азотное минеральное удобрение. Трансформация сидерата и азотного минерального удобрения активно протекает только в 1-й год; навоза - в год действия и 1-й год последействия; медленное разложение торфа происходило на протяжении 3-х лет после внесения.

3. Для каждого вида удобрения характерна своя динамика влил-

нш на биологическую активность почвы, отличающаяся по годам. В 1-й год действия варианты с навозом и сидерато#характеризо-вались высоким содержанием И-НО3" и воднорастворимых органических веществ в почве. Варианты с торфом и без удобрений имели низкие значения этих показателей. Во 2-й год действия все варианты с-органическими удобрениями,за исключением навоза,характеризовались низким уровнем .продуцирования СО2 и содержанием нитратов в почве. В 3-й год действия все варианты с органическими удобрениями имели низкие показатели биологической активности. Варианты с ежегодным внесением минерального азота в течение 3-х лет имели низкий уровень воднорастворимых органических веществ и продуцирования СО2, но высокие показатели 11-НО3" в почве и денитрификации.

4. Специфика трансформации Удобрений в почве с разным содержанием гумуса проявилась в том, что на силыюгуыусирован-ной почве (3.5$) различия в уровне биологической активности между вариантами без удобрений и с .их внесением были выражены слабее,чем на почвах с содержанием гумуса 1.5 и 2.5$. Последействие удобрений на биологическую активность было выше на почве со средним и малым содержанием гуцуса.

5. В связи с низким количеством доступного азота в почвах с содержанием гуьуса 1.5 и 2.5$ последействие органических удобрений на урожайность менее эффективно,чем ежегодное применение минерального азотного удобрения. В почве с содержанием гумуса 3.5$ действие и последействие органических удобрений

на урожайность так' же эффективно, как и ежегодное применение минерального азота.

6. Урожайность зерна наиболее тесно связана с активностью нитрификации и уровнем потенциального продуцирования почвой углекислого газа. Количество доступного азота в почве было главным из изученных факторов,определивших урожайность.Второй фактор - доступный для микроорганизмов углерод существенно повышает урожайность лишь при достаточно высоком значении первого фактора. Зависимость можно представить в виде уравнения:

(1.17 + 0,33 Вп X + 0,01 X.)

У= е 1 и = 0.66

где У - урожайность зерна, г/сосуд; X - содержание и-ио^" в почве в начале вегетационного периода,мг/кг; Х^ - потенциальное продуцирование С02 почвой в начале вегетации, мг С-СС^/кг• сутки.

7. Благодаря быстрой реакции микроорганизмов на внешние

воздействия,все показатели биологической активности сильно варьируют: под влиянием уровня гукусированности - на 3-20$, под действием удобрений - на 3-30$, во времени (в течение вегетационного периода) - на 11-60% от общей вариации. Исследование биологической активности почвы важно проводить в динамике с учетом основных действующих факторов, однократное определение любого показателя невозможно интерпретировать однозначно.

8. В парующей почве преобладают процессы накопления элементов питания при относительно низком уровне биологической активности и потерях углерода в виде СО2. В почве под посевами идет вынос питательных элементов, но активность метаболических процессов, в том числе "дыхания" почвы, высокая, благодаря экст-рацеллшшрной деятельности корней.

9. Для объективной характеристики способности почвы к продуцированию углекислого газа необходимо сочетание 2-х методов -потенциометрического и газохроматографического. С помощью первого метода можно вычислить потенциально возможные потери углерода почвы, а с помощью второго - утешить эти потери в изменяющихся условиях окружающей среды.

10. Связь потенциальной денитрифжации с содержанием и-ноз"

в почве можно аппроксимировать логарифмической функцией,а с уровнем потенциального продуцирования СО2 - линейной функцией. С увеличением количества выделяющейся углекислоты на 25 мг С-С02/ /кг-сутки потенциальная денитрификация может возрасти на 1.5 мг н-н2о /кг; на каждые 10 мг/кг нитратов в почве денитрификация увеличивается на 1-8 мг н-ИзО /кг.

11. Общая природа вариации показателей биологической активности подтверждается их сильной внутренней коррелированностью. Поэтому в качестве параметров,характеризующих уровень гумусиро-ванности, плодородия почвы и урожайности растений, можно использовать не более 2-3-х показателей,отражающих углеродный и азотный рент,и почвы.

12. На примере почв Северо-Запада РСФСР установлено,что зависимости между урожайностью сельскохозяйственных культур (У) и показателями биологической активности (X) можно представить уравнениями типа У=а+ь&1 х и У=е*в3: + Ъ*. Показана возможность применения параметров биологической активности для оценки плодородия данных почв.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Минина Т.Н., Балаян Т.В. Возможность использования показателя "водорастворимое органическое вещество" для оценки качества ryr.yqa в почве // Особенности культурного почвообразовательного процесса и моделирование плодородия почв Нечерноземной зоны РСФСР. Л., 1989.- С.50-54.

2. Балаян Т.В. Биохимическая трансформация органических удобрений в дерново-подзолистой почве разной степени гуцусиро-вакности // Тезисы докладов научно-практической конференции молодых ученых и специалистов. Киев, Чабаны,1990.- С.80.

3. Колмкант В.Г., Балаян Т.В. Манометрический экспресс-анслиз нитратов и COg в агрохимических объектах// Тезисы докладов всесоюзного симпозиума "Рациональное использование и охрана водных ресурсов от загрязнения".Харьков,1990,- С.80.

4. Балаян Т.В., Разумова Н.А. Определение концентрации С02 в дерново-подзолистой почве с помощью потенциометрического ^-датчика// Тезисы докладов конференции "Плодородие почв в интенсивном земледелии". Минск,1991.-С.64.

5. Балаян Т.В. Действие органических удобрений в дерново-подзолистой почве с разным содержанием гумуса на показатели биологической активности и урожайность растений // Тезисы докладов научно-практической конференции молодых ученых и специалистов. Киев, Чабаны, I99I.-C.II6.

6. balalan Ï.V., KLnina Т.Н. Biologica*L activity of the sod- podzolic Boilland the orop production // International conférence "Youth and Ecology". Kishinev: Ecological Projects Center, 1991.- P.78-82.

Д8