Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биологический круговорот углерода и азота в агроэкосистемах Средней Сибири

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Биологический круговорот углерода и азота в агроэкосистемах Средней Сибири"

РОССИЙСКАЯ ПКОДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

, Инс^Дут почвоведения и агрохимии

На правах рукописи УДК 631.4 (571.5)

Чупрова Валентина Владимировна

БИОЛОГИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА И АЗОТА В АГРОЭКОСИСТЕШ СРЕДНЕЙ СИБИРИ

03.00.27 - почвоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Новосибирск - 1994

Работа выполнена в Красноярском государственном аграрном университете.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук А.А.Титлянова доктор биологических наук Т.Т. Ефремова доктор биологических наук В.Л.Рассыпнов

Ведущая организация: Институт почвоведения и фотосинтеза РАН

Защита состоится 24 февраля г< в_чао<

на заседании специализированного совета Д 002.15.01 при Институте почвоведения и агрохимии СО Российской академии наук

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института почвоведения и агрохимии СО РАН.

Автореферат разослан & Л ^ 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета

доктор биологических наук М.И.Дергачева

Актуальность темы обусловлена планетарной ролью углерода и азота в создании живого вещества, формировании почвенного покрова и в продуктивности экосистемы.

Высокая сельскохозяйственная освоенность юга Средней Сибири, в пределах Красноярского края (Ц млн.га),, влечет за собой заметные изменения в сложившихся природных циклах углерода и азота. В количественном отношении такие процессы изучены мало. Исследование биологического круговорота углерода и азота в агроэкосисте-мах и выявление закономерностей биогеохимических циклов в конечном счете позволяет разработать прогноз изменений и выработать конкретные практические мероприятия по предотвращению нарушений в естественных потоках элементов. Накопление таких знаний крайне важно и'потому, что они необходимы для создания информационной базы конструирования агроэкосистем, устойчивых к антропогенным нагрузкам.

В тесной связи с продуктивностью агроэкосистем и биологическим круговоротом углерода и азота находится сохранность и воспроизводство плодородия черноземов - основы пахотного фонда региона (62$ пашни). Важным условием повышения плодородия является грамотное управление круговоротом и балансом биофильных элементов в агроэкосизтемах, оптимизация их параметров в почвах. Регулирование циклов углерода и азота в земледелии должно базироваться на понимании общей картины функционирования агроэкосистем и углубленном познании взаимоотношений между почвенными режимами и продукционными процессами.

Пелъ работы - изучение продукционно-деструкцпонных процессов и выявление закономерностей круговорота углерода и азота в агроэкосистемах Средней Сибири как теоретической основы разработки путей воспроизводства плодородия черноземов.

Основные задачи:

- изучить структуру, динамику запасов растительного вещества и дать количественную оценку продукционно-деструкционных процессов в агроценозах разных севооборотов;

- описать обменные процессы углерода и азота в агроценозах и установить основные закономерности биологического круговорота в зависимости от смены предшественника в севооборотах;

- охарактеризовать гумусное состояние черноземов и выявить влияние агрогенных воздействий на процессы трансформации лабильной части органического вещества;

- исследовать качественный состав азотного фонда черноземов и выяснить характер превращений азотистых соединений во внутри-почвенном цикле и в агроэкосистеме;

- обосновать перспективы регулирования и воспроизводства плодородия черноземов.

Теоретическая значимость и научная новизна. Дана оценка показателей гумусного состояния и азотного фонда черноземов лесостепи Средней Сибири. Функционирование черноземов в агроэкосисте-нах характеризуется достижением равновесного состояния органического вещества со свойственным ему потенциалом устойчивости к биологическим потерям гумуса и установившейся скоростью круговорота . углерода и азота.

Для данного региона впервые получены количественные характеристики продукционно-деструкционных процессов в сезонном, годовом и многолетнем цикле агроэкосистем. Вскрыты закономерности биологического круговорота углерода и азота, построены балансовые модели и с их помощью показана направленность функционирования агроэкосистем в зависимости от смены предшественника в севообороте. Оценено участие растительных остатков полевых культур и фятомассы садератов в продукционном процессе, гумусообразова-нии и формировании баланса углерода и азота.

В целях рационального землепользования и воспроизводства плодородия черноземов обоснована необходимость расширения посевов многолетних трав и увеличения доли сидеральных паров.

На защиту выносится концепция сущности роли свежего растительного вещества в продукционном процессе, гумусообразовании и формировании баланса углерода и азота на черноземах Средней Сибир:

- сельскохозяйственное использование черноземов сопровождается тратой лабильных компонентов органического вещества, быстро восстанавливающихся при поступлении в почву свежих-растительных остатков;

- запашка пожнивно-корневых остатков люцерны и донникового сидерата приводит к положительному балансу растительного вещества, углерода и азота в севооборотных звеньях;

- интенсивности прсцесоов минерализации - гумификации и закрепления азота в гумуоном фонде зависят от массы и химического состава растительного вещества, поступающего в почву с пластом люцерны или сидератами.

Практическое значение работы заключается в возможности использования знаний круговорота углерода и азота в агроэкосисте-ыах для разработки теории, методологии и технологии управления воспроизводством плодородия почв; для оценки основных компонент глобального цикла углерода и азота; для прогноза агрогенных воздействий на этот цикл; при организации мониторинга почв как информационной основы рационального землепользования и охраны почв от деградации.

Результаты исследований и развиваемые положения использованы при разработке рекомендаций по регулированию гумусного состояния черноземов земледельческой части Красноярского края (1986); в начавшихся работах по региональному мониторингу почв и земель (1992); в учебном процессе по курсу почвоведения в Красноярском государственном аграрном университете; для планирования и организации дальнейших научных исследований характеристик углеродного и азотного циклов в агроэкосистемах. Материалы вошли в учебное пособие "Агрономическая характеристика почв земледельческой части Красноярского края" (1991), подготовленное при участии автора.

Апробация. Материалы исследований были доложены на Всесоюзных съездах почвоведов (1У - Алма-Ата, 1970; УШ - Новосибирск, 1989), на X Всесоюзной симпозиуме "Биологические проблемы Севера" (Магадан, 1989), на Всесоюзных конференциях и совещаниях (Москва, 1975, 1979; Пущино, 1982, 1993; Красноярск, 1987; Краснообск, 1990; Владивосток, 1990), на региональных научно-практических конференциях и совещаниях (Красноярск, 1975; 1978; 1985; 1987; 1993; Тюмень, 1981; Барнаул, 1986; Новосибирск, 1986; Абакан, 1992), на ежегодных (1978-1993 гг.) конференциях в Красноярском СХИ (ныне -агроуниверситет), на заседаниях Красноярского отделения общества почвоведов (1993).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 46 работ, в том числе 2 монографии и I учебное пособие. Общий объем публикаций около 25 п.л.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 8 глав, выводов, списка литературы и приложений. В диссертации 355 страниц машинописного текста, включая 72 таблицы, 29 рисунков, 30 приложений и библиографию из 389 наименований на русском и 28 на иностранных языках.

Диссертационная работа является теоретическим обобщением

материалов, полученных автором в 1970-1990 гг. при выполнении плановых научных исследований на кафедре почвоведения Красноярского сельскохозяйственного института'в рамках заданий ГШГ (гос. per. K028G0II0052). В стационарных исследованиях в разные годы участвовали сотрудники кафедры Э.К.Низких, Г.Л.Евсеева, Г.С.Лип-шин, О.В.Дубровицкая и студенты агрономического факультета Л.М.Ремезова, С.К.Юн, В.П.Брыжов, М.И.Еуянова, Р.П.Дугаева, ■ А.А.Алексеев, О.А.Смирнова и др. Часть материалов получена автором на опытах кафедры земледелия, проводимых доцентом А.М.Берзи-ным и профессором А.Д.Бекетовым. Всем автор выражает искреннюю благодарность.

Глава I. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Поставленные задачи реализованы на базе сравнительно-географических, стационарных, лабораторных и статистических методов исследований. Объекты - черноземы пашни лесостепных регионов Средней Сибири (юг Красноярского края) и сельскохозяйственные растения основных агроэкосистем.

Материал, характеризующий гумусное состояние и азотный фонд различных подтипов черноземов, был собран в почвенных экспедициях и дополнен опубликованными данными. Анализы выполняли по общепринятым прописям современных методов (Пономарева, Плотникова, 1968; Аринупшша, 1970; Агрохимичэокие методы..., 1975; Кислых, Щербаков, 1982). Изучение продукционно-деструкционных процессов, круговорота углерода и азота, динамики подвижных форл азота проводили на стационаре "Миндерлинское" (¡фасноярская лесостепь) в полевых опытах зернопаропропашного севооборота, зернопаровых без удобрений и с запашкой в паровые поля навоза и сидератов, а также зернотравяном звеньях севооборотов; на стационаре "Абан" (Капская лесостепь)— в опытных полях IO-польного севооборота госсортоуча-отка (ГСУ) и прилегающих к ним производственных полях Устьянского совхоза. Почва опытных участков - чернозем выщелоченный средне-мощный средаегумусный тяжелосуглинистый. В стационарных исследованиях использовали балансовый метод (Методы..., 1978; Титлянова и др., 1982, 1984). Методологией исследований служил системный подход, разработанный ранее А.А.Ляпуновым и А.А.Тигляновой (1974), Отдельные вопросы трансформации азотсодержащих соединений и динамики лабильных гумусовых веществ в черноземах при внесении мине-

ралышх и органических удобрений выясняли методом моделирования в ыякрополевом, вегетационных и лабораторных опытах.

Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА РЕГИОНА ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Экологические условия почвообразования

Приводится краткое описание орографии, почвообразуших пород, растительности и климата лесостепных "островов" Средней Сибири по опубликованным материалам (Еередченко, 1961; Черепнин, 1961; Воскресенский, 1962;'Семина, Бередченко, 1962; Галахов, 1964; Ерохина, Кириллов, 1964; Кушев, Леонов, 1964; Любимова, 1964; Орловский, 1971; Сергеев, 1971).

Экологические условия лесостепи соответствуют требованиям почв автоморфного ряда: серые лесные и черноземы оподзоленныв, выщелоченные, обыкновенные. Анализ научной литературы от первых небольших (Дубенский, 1893; Благовещенский, 1913; Давыдов, 1928) и монографических публикаций (Николаев, 1934 ; Петров, 1937; Градобоев, 1950; Коляго, 1953; Горшенин, 1955), трудов комплексной экспедиции АН СССР по изучению производительных сил Сибири (Ерохина, 1961; Еудина, Вишневская, 1962; Еудина, Семина, 1962; Семина, 1974 и др.) до работ стационарных исследований (Еугаков,1962; Крупкин, 1974; 1985; 1986; Вугаков, Щугалей, 1967; 1968; Еугаков, Попова, 1969; Еугаков, Чупрова, 1970; Таскяна, 1971; Рудой, 1971; Выручек, 1972; Еугаков, Чупрова, 1973; Попова, Лубите, 1975; Горбачева, 1975; 1977; Ивченко, 1981; 1982; Чупрова, 1981; 1985; 1990; Гертель, 1982; 1983; Сорокина, 1985; Новикова, Репа, 1989; Топтыгин, 1990) позволяет представить состояние изученности почв региона.

Доминирующие в структуре почвенного покрова черноземы за последние 70-90 лет почти полностью распаханы, что оказывает влияние на естественную эволюцию этих.почв. Ее направленность определяется специфичностью функционирования агроэкссистем.

2.2. Формирование фитоструктуры агроэкосистем

Жизненный цикл сельскохозяйственных растений сопровождается последовательными изменениями структурных компонентов фитомассы. Ее формирование в различных севооборотах зависит от генетической природы полевых культур п связано о технологией возделывания, погодными условиями,- обеспеченностью почвы запюпми влаги и пита-

тельных элементов. В зернопаровпх с запаханными сидератами и зер-нотравяном севооборотных звеньях, в отличие от зернонарового без удобрений, наблвдается значительное увеличение запасов растительного вещества в подземной сфере за счет более интенсивного прироста корней и повышения доли крупной мортмассы.

Динамика надземной фитомассы зерновых культур по любому предшественнику описывается одновершинной кривой. Максимальный запас достигается в канун уборки. Масса колоса в этот период составляет 60-80Й от величины надземной фитомассы. Количество и масса сорняков в посевах полевых культур меняется сильнее, чем их состав. Следовательно, антропогенное влияние заметно перекрывает влияние культуры на состав сорных видов растений (Иванова и др*., 1975; Туганаев, 1984).

Запасы подземного растительного вещества в агроценозах в несколько раз (до 10) меньше, чем в экосистемах колочного леса и злаково-разнотравного луга (рис.1). Характер распределения растительных остатков в почвенном профиле остается однотипным. В агро-ценозе пшеницы степной зоны на южном черноземе загвсы подземного вещества в полуметровом слое почвы составляют 13 т/га против 23 т/га в агроценозе пшеницы лесостепной зоны на обыкновенном черноземе. А в маломощном обыкновенном черноземе, в отличие от средаемощного, запасы подземных остатков уменьшаются до 15 т/га. Таким образом, естественные источники пополнения гумусовых веществ в распаханных черноземах Средней Сибири существенно снижаются, что иллюстрирует характерную черту культурных экосистем (Кылля, 1982; Титлянова и др., 1982; Базилевич, Семенюк, 1984; Гришина, 1984), а процессы трансформации растительного вещества по-прежнему протекают в поверхностных слоях почвы.

Динамика запасов подземного растительного вещества в полях севооборотов имеет колебательный характер, что связано с гетерогенностью этого сложного материала. В его составе преобладает мортмасса по сравнению с фитомассой. Крупные фракции мортмассы (> 2 мм) доминируют, как правило, в первую половину вегетационного сезона. Запасы мелкой мортмассы (мелочь,< 2 мм) очень флюктуируют в течение сезона и год от года, отражая соотношение и интенсивность таких процессов, как отмирание живых корней и измельчение крупной мортмассы, переход их в мелочь, разложение мелочи .

Прирост корней сопровождается активным ростом надземной фи-

10 20 30 40 50

130 т/га

л----

га-

за-

т-

501

см

Рис Л. Запасы подземного растительного вещества в фитоценозах на выщелоченном черноземе: I - пшеница, 2 - люцерна, 3 - колочный лес, 4 - злаково-разнотравный луг

томассы. Зависимость прироста коршй от обеспеченности почвы влагой и элементами питания отличается несогласованностью. В отдельные годы недостаток почвенной влаги и доступных форм азота приводит к уменьшению загасов корней и концентрации их в пахотном слое, в другие - увеличению массы проникающих вглубь корней. Влажная почва всегда стимулирует прирос^ корней и способствует глубокому их распространению. В полях первых пшениц по паровым и пропашным предшественникам запасы корней (370-475) больше и проникают глубже, чем в полях вторых пшениц по таким не предшественникам (300-325 г/м^). Внесение минеральных удобрений, в отличие от органических, не изменяет запасы корней в агроценозах, что согласуется с данными Н.А.Тихомировой (1979), но противоречит материалам других исследователей (Кордуняну, 1978; Музычкин, 1983; Листопадов, Шапошникова, 198'); Кильби, 1985). В течение вегетационного сезона наблюдается меньшая изменчивость запасов крупных корней по сравнению с запасами средних и мелких.

Глава 3. ПРСЖУЩЮННО-ДЕСГГРУКЦИОНШЕ ПРОЦЕССЫ В АГРОЭКОСИСТ0Ш

3.1. Интенсивность продукционных процессов

Исследования показали, что продукт!онный процесс в агроэко-оистемах протекает с переменной интенсивностью в течение сезона и год от года. Продукция варьирует в диапазоне 510-1480 г/(м2* •год). Количественная неустойчивость ее обусловлена влиянием погодных, почвенных условий и особенностями предшественника в севообороте. Ритм продукционного процесса соответствует фенологическому ритму развития полевых культур. До цветения формируется основная часть продукции. Величина надземной продукции, как правило, выше продукции корней.

Среднемноголетняя продукция надземных органов пшеницы в зер-нопаропропашном севообороте составляет 498, минимальная - 262, максимальная - 776 г/(м -год). Продукция корней пшеницы в слое 0-20 см меняется от 193 до 358 г/(м2тод), уступая величине продукции корней кукурузы (580 г/(м2*год). Поступление в почву свежего растительного вещества сидератов, в отличие от навоза, обеспечивает увеличение продукции зерновых культур только в последействии.

3.2. Интенсивность и удельная скорость деструкционных

процессов

В зерновых агроценозах отмирание листьев, слабых побегов и формирование ветоши начинается в фазу кущения и продолжается до конца вегетации. За сезон доля ветоши составляет 16-48$ надземной продукции. Отмирание корней и переход в мортмассу до уборки достигает 15-58% их продукции. Остальная масса корней входит в состав растительных остатков после уборки урожая. Масса пожнивных остатков зависит от технологии уборки в большей мере, чем от величины продукции. Эта зависимость прямо противоположна величине отчуждаемого растительного вещества с урожаем (Шатохина, 1989), что позволяет регулировать массу пожнивных остатков путем увеличения высоты скашивания растений комбайном или отчуждения с поля только зерна.

Процессы перехода крупной мортмассы, корней, ветоши и сорняков в мелкую мортмассу очень динамичны. С наибольшей интенсивностью они протекают в разное время: до цветения - преимущест-

ванне за счет отмяраших корней, после цветения - за счет измельчения крупных остатков и отмерших корней.

Поступившее в мелкую мортмассу органическое вещество подвергается разложении. Интенсивность этого процесса определяется в первую очередь запасом и химическим составом растительного субстрата в почве. Минимальная интенсивность разложения отмечается, как правило, при поступлении небольших запасов растительного вещества в мортмассу. Поступление новых порций свежего растительного материала, обусловливая "затравочный эффект", повышает интенсивность процесса разложения. За вегетационный сезон (105-122 дней) в паровом поле зернопаропропашного севооборота разлагается 290, в шлях пшеницы - 200-431, в поле кукурузы - 251 г/(м2.сезон), что составляет 46-83& от весенних запасов мортмассн. Удельная скорость разложения, показывающая какое количество миллиграмм иортмасои разлагается из одного грамма ее за сутки (Тнтлянова, 1977), не превышает 17-19 в полях чистого пара и кукурузн и варьирует в пределах 7-24 мг/(г«сут) в полях гшеншщ и ячменя. Таким образом, в нолях пара и пропашной культурц интенсивность разложе-. ния растительного вещества не выше, чем в шлях зерновых культур. Дефицит почвенной влаги не лимитирует процессы разложения растительных остатков (У11зте1ег, АтЪегвег, 1981; Титлянова, 1982; Малыгина, Песочкина, 1989), если они непрерывно пополняются свежими поступлениями. В периоды с осени до весны разложение мортмассн в агроценозах этого севооборота протекает о интенсивностью 64-387 г/(м2-пер:юд) и удельно*! скоростью 2-9 мг/(г»сут).

Своеобразие десгрукционных процессов в зернопаровых и зер-нотравяном звеньях севооборотов обусловлено неодинаковш составом и количеством органического материала, поступившего к началу ротации (табл.1). Процессы разложения в полях-предшественников протекают не только с различными интенсивностью и удельной скоростью, но и в ином ритме. Максимальные оценки этого процесса в парах с запаханными сидер&гами или навозом не совпадают ни количественно, ни во времени. Разложение донникового оидерата, богатого легкодоступными для микроорганизмов азотсодержащими соединениями, начинается сразу же после запашки в почву и идет с очень высокой удельной скоростью. За летний сезон разлагается 80% его фитомассы. Заметный распад ржаного сидерата, отличающегося широким отношением С :|\| , начинается с запозданием на Г,5 месяца после его запаски. Удельная скорость разложения не превышает

Деструкционные процессы в паровых полях (слой почвы 0-20 см)

Таблица I

Показатели

Чистый пар

т 1

Сидеральный пар с запашкой

без удобре-! ний !

Навоз, 30 т/га

! озимой ржи! донника

I I

!отавы дон! ника

! Пласт .! лщерны

I

лето!осень-!лето¡осень-!лето¡осень-!лето¡осень-!лето¡осень-!лето!осень-

1 ! весна 1 'весна ! !весна ! ¡весна 1 ¡весна 1 ¡весна

Период, сут. 62 246 82 246 82 246 62 246 „ 35 246 55 246

Осадки за период, мм 69 149 99 149 99 149 69 149 " 32 149 48 149

Средняя С воздуха 15 8 15 8 15 8 15 8 14 8 15 8

Содержание, мг/кг почвы;

М- МН^ 24 15 20 21 28 19 30 20 18 27 27 26

М - Ср.запас мортмассы.г/м^ 23 46 36 72 23 38 25 55 8- 20 9 21

286. 194 360 247 856 726 623 614 512 517 772 654

Поступило в моргмассу, г/(м^* период):

0 0 750 0 569 0 1162 0 554 0 757 0

содержащего С 278 232 455 215 296

N 13 10 40 13 14

С -Ы , 22 18/37х) 10/28 12/28 16/21

Разложено мортмассы, г/(м^. пери од)

185 54 987 32 289 297 930 280 301 245 371 251

Удельная скорость разложения, мг/1г«сут;

28 3 102 2 16 8 161 9 92 12 59 9

л' Числитель - надземной фитомассе сидератов, знаменатель - в корнях

16 ыг/(г.сут), что приводит к потере за весь летний период Щ2 поступившего вещества. Для полного разложения фитомассы сидера-тов требуется более длительный период, чем для навоза. Процесоы разложения во вспаханном люцерновом поле протекают примерно о такой же интенсивностью, как в отавном пару. Интенсивность разложения в агроценозах зерновых культур по сидеральныы парам и пласту люцерны выше, чем после чистого неудобренного пара. Это отражается в балансе растительного вещества.

3.3. Баланс растительного вещества

В балансе растительного вещества севооборотов учтены начальные и конечные запасы, продукция, отчуждение с урожаем и разложение (табл.2). Баланс оценен по величине отношения разложение : поступление.

Подсистема поступление-*-мортмасса-~разложение мортмассы в каждом отдельном поле зернопаропропашного севооборота не сбалансирована, тогда как в целом за ротацию звена или севооборота -высокосбалансирована. Отношение разложение : поступление в зерно-паровом звене равно 1,08; в зеряопропашяом - 0,99; а за 6 лет севооборота - 1,02. На I г зерна в севообороте разложено 7,6 г мортмассь-.

В зернотравяной экосистеме, в отличие от зернопаропропашной, межгодачная изменчивость показателя поступление : разложение незначительная (0,82-0,96). Баланс растительного вещества ежегодно, и в среднем за 3 года, складывается положительно, что обусловлено увеличением запаса мортыассы за счет запашки пожнивно-корневых остатков лщерны в период подъема пласта. При этом выход зерна на единицу продукции значительно выше, а минерализовано мортмассы на единицу зерна почти в 3 раза меньше, чем в зерно-паропропашном севообороте.

Продукционные процессы компенсируются деструкционнши и баланс растительного вещества близок к нулю за ротацию севооборотных звеньев, удобренных навозом и ржанш сидератом, положительным - за ротацию звеньев, удобренных бобовым (полным и отавным) сидератом. Наиболее продуктивными являются зернотравяное и отав-носвдеральное звенья севооборотов, наименее продуктивными - зер-нопаровые. Минимум отчуждаемой продукции сопровождается максимумом разложения мортмассы на I г зерна, что свидетельствует о неполном использовании элементов питал ип из заделанной в почву фи-

.Таблица 2

Баланс -растительного вещества в звеньях севооборотов за ротацию

; » 3 е р н о п а р о в. ы е Г ¡Зешо-

Составляющие баланса !без -удоб-!рений -!30 т/га! с запашкой сидетатов |травя-

¡навоза ! ( ! озимой щи!донника г отазы донника -1 нее (

Запас моргмассы, г/м2:

в начале ротации 406 499 594 403 386 394

в конце ротации ■607 555 ' 618 572 575 . 597

Продукция, г/(м2«3 года):

надземной фитомассы 1133 1285 1357 1797 2080 203Э

корней 386 427 696 675 685 1201

всего 1519 1712 2053 2472 2765 3240

Отчуждено с урожаем, г/(м2>3 года) 834 896 810 640 1557 1639

Поступило в мортмассу, г/(м2«3 года) 685 1566 1243 1832 1303 1601

Разложено мортмассы, г/(м2*3 года) 484 1510 1219 1663 1119 1398

Разложение : поступление 0,73 0,96 0,98 0,90 0,85 0,87

Продуцировано растительного вещества на I г зерна, г/м2 3,1 3,6 4,8 6,8 10,1 6,0

Разложено мортмассы на I г зерна,г/м2 1,0 3,2 2,8 4,5 " 4,1 2,6

томассы донника. Поэтому, увеличивая за счет сидератов поступление растительного вещества в почву, необходимо обращать внимание на полноту использования продуктов разложения, чего можно достичь путем оптимизации сроков запашки сидерата.

Глава 4. УГЛКРОД В АХРШКОСИСТК.Ш

4.1. Круговорот и баланс углерода

Лгроэкоспстсмы вовлекают в биологический круговорот за счет ежегодной продукции 200-520 г С/м2. Бремя релаксации углерода

- соотношение углерода уитомассы и продукции - в агрофи-тоценозах варьирует в пределах 0,5-1,3 года.

Оценки возврата углерода в почву с растительными остатками и ритм этого процесса в агроценозах изученных севооборотов обусловлены неодинаковой интенсивностью прироста и отмирания надземного вещества и корней и перехода их в состав мортмассы. Они колеблются от 90 до 216 г С/(м2тод).

Выход углерода из агроэкосистемы зернопаропропашного севооборота, равный суммарной величине углерода, выделившегося в процессе разложения и отчужденного с урожаем, всего на 2% превышает поступление углерода с растительными остатками в мортмассу. Это позволяет говорить о равновесном характере обменных процессов углерода в растительной подсистеме данного севооборота. Сезонные флюктуации высвобождения углерода из растительных остатков полностью совпадают с ритмикой и интенсивностью разложения. Удельная скорость освобождения углерода из разлагающейся мортмасси в среднем за ротацию севооборота равна 5 мг/(г*сут), а удельная скорость минерализации гумуса в почве - 6-10"^ мг С/(г-сут). Следовательно, почва обедняется прежде всего лабильными компонентами органического вещества. Потери углерода при минерализации гумуса составляют 140 г/м2 за ротацию шестипольного севооборота или 23 г/м2 в год. эти оцежи, по-видимому, можно считать тем уровнем, ниже которого потери гумуса, обусловленные причинами биологического характера, не происходят.

Восстановление лабильной органики при поступлении в почву свежего растительного вещества осуществляется достаточно быстро, о чем свидетельствуют полученные данные (табл.3).

В результате исследований подучены количественные оценки высвобождения углерода в процессах разложения навоза, ржаного и

донникового сидератов в паровых полях и пожнивно-корневых остатков в распаханном люцерновом поле (табл.4). Установлено: чем больше величина поступления углерода, тем выше интенсивность его освобождения в процессах разложения; чем шире отношение С :N в органическом матерале, тем меньше удельная скорость высвобождения из него углерода. Отмеченные различия в интенсивностях поступления и освобождения углерода сохраняются и в послепаровом периоде севооборотных звеньев.

Таблица 3

Динамика содержания лабильных форм гумуса в пахотном слое выщелоченного чернозема, г С/м2

Вариант опыта

1986 г.

! 1987 г.

130.УП 12.УШ 6.1X118.У 1.1Х

889 886 897 866 879

1000 960 935 Х037 935

950 957 964 976 895

947 925 1009 972 873

964 963 1003 1018 927

43 58 61 54 39

Чистый пар без удобрений (контроль)

Чистый пар с запашкой, т/га: навоза - 40 соломы -2,5

стерни+корней люцерны - 4,0 зеленой массы донника - 10,0

НСР,

05

Таблица 4

Интенсивность (г/м^.период) и удельная скорость (мг/г-сут) освобождения углерода из мортмассы в паровых полях

Период

Показатель

Чистый пар

'.Сидеральный пар '.Пласт ._!о запашкой_!лю-

¡без !30 т ! озимой! дон—! отавы ^Р111

удоб-.'навоза! !пений! ! ржи !ника.'дон- " ! !ника !

74 372 118 365 116 142

25 78 '16 155 90 60

22 13 121 105 92 101

3 2 8 13 II ■ 9

Лето

мг/(г-сут)

мг/ Сг-сут)

Процессы трансформации злакового сидерата способствуют поддержанию на одном уровне запасов углерода в растительных остат^-ках в течение всей ротации севооборотного звена и сбалансированности процессов входа и выхода в подсистеме "растительное вещество". При запашке полной или отавной донниковой фитомассы, а также при распашке пласта люцерны вход углерода в экосистему превышает его выход, что приводит к накоплению лабильных составляющих органического вещества в почве и положительному балансу в растительной подсистеме.

Уровни освобождения углерода из разлагающихся органических остатков относятся к суммарному прсцессу разложения, который в свою очередь включает процессы минерализации исходных соединений, гумификации и постепенной минерализации образующихся гумусовых веществ (Александрова, 1980). унификация - более сложный процесс, чем минерализация. Поэтому оценки его интенсивностей в научной литературе встречаются редко, а опубликованные данные показывают варьирование от 10 до 50$ и более (Люжин, 1968; Каури-чев и др., 1970; Титлянова, Тихомирова, 1977; Фокин, Боинчан, 1981; Гертель, 1982; Чим.чтдоржиева, Егорова, 1989).

Как показали исследования, вероятность гумификации растительного вещества зависит от количества, химического состава и длительности его пребывания в почве. Основное влияние пожнивно-корневых остатков люцерны и сидеральной массы донника и озимой ржи на процессы гумификации состоит в том, что содержащиеся в них сравнительно простые органические соединения выводятся из пула быстро метаболизируемого органического вещества и переходят в другие компоненты почвенной органики. Исходя из гипотезы "фрагментарного обновления" (Фокин, 1986), этот переход сопровождается процессами ферментативной достройки гумусовых молекул алифатическими боковыми цепочками за счет продуктов промежуточного распада растительной массы. Нами экспериментально обнаружено значительное увеличение содержания функциональных групп (-СООН и -СН) в составе специфических соединений гумуса к концу ротации зернотравяного севооборота (760 мг-экв/100 г препарата в гумино-вых кислотах и 664 - в кислоторастворимой фракции) по сравнению с зернопаропропашннм (670 и 328, соответственно).

Количество углерода, включившегося в процесо гумификации при разложении остатков люцерны и фитомассы сидератов, значительно выше (12.4-13!)), '"4.1 при т['нш:фпрмашш ннпоза

о

(63 г/(м *год)). Обогащенность растительного материала озимой ржи трудногидролизуемыми соединениями и широкое отношение С:И , существенное "запоздание" процесса разложения, невысокая интенсивность и удельная скорость освобождения углерода из разлагающейся массы создают наилучшие предпосылки для образования гумусовых веществ или их фрагментов, чем в остатках донника. Однако количество новообразованных гумусовых веществ нарастает при трансформации большой массы донника (в 2 раза большей, чем озимой ржи), несмотря на высокую скорость его разложения. Установлено, что минимальная оценка удельной скорости гумификации морт-массы в черноземе зернопарового звена, удобренного навозом, имеет наименьшую величину - 0,3 мг/(г»сут), а зернопарового звена с запашкой ржаного сидерата - наибольшую, 0,7 мг/(г.сут). В севооборотных звеньях с запашкой бобового растительного веиества (полный и отавный донниковый спдерат, остатки люцерны) удельные скорости гумификации мэртмассы одинаковы л равны 0,5 мг/(г-сут).

Таким образом, для воспроизводства органического вещества в черноземах Средней Сибири целесообразно использование пласта 'лкцерны и сидеральных паров в качестве полей - предшественников для зерновых культур. Баланс углерода в таких агроэкосистемах приобретает положительный знак, запасы гумуса увеличиваются на 2,1-2,4 т/га в год.

4.2. Гумусное состояние черноземов

Совокупность различных форм, общих запасов, состава и свойств органического вещества, процессов его создания, трансформации и миграции в почвенном профиле характеризуют гумуское состояние почв (Александрова, 1972; Пономарева, Плотникова, 1980; Дергачева, 1984; Гришина, 1986). В результате статистической обработки большого массива данных получены количественные параметры показателей гумусного состояния черноземов Средней Сибири, как следствие не только современного почвообразования, но и прошлого, развивающегося в условиях исторически длительного периода. Эти материалы свидетельствуют, с одной стороны, о близости одноименных черноземов по островным лесостепям, а с другой - позволяют четко разграничить черноземы на подтиповом классификационном уровне. Гумус относится к фулььатно-гуматно-му типу. В гетерогенной системе гумусовых ¡а! ел от преобладают

фракции, связанные с кальцием. Они проявляют способность к передвижению, фо{шруя в зависимости от интенсивности этого процесса неодинаковую мощность гумусового горизонта в различных подтипах черноземов.

Глава 5. АЗОТ В АГРОЭКОСИСТШАХ

5.1. Азотный фонд черноземов

Азотный фонд пахотных черноземов Средней Сибири представлен главным образом стойкими негидролизуемыми соединениями (55-63%), что свидетельствует о малой подвижности и трудной доступности азота для растений. Доля легкогидролизуемого азота составляет (МОЙ, а минерального всего 1-2$ от общего азота. Показано, что различия в подвижности азота в генетических горизонтах черноземов обусловлены неодинаковой природой содержащегося в них органического вещества.

5.2. Подвижные формы азота

По данным многолетних исследований на выщелоченных черноземах Красноярской л Канской лесостепей установлено, что наиболее благоприятные условия для накопления легкогидролизуемых фракций азота складываются в весенний и осенний периоды, характеризующиеся повышенными запасами почвенной влаги. В середине лета количество гидролизуемих азотных веществ, как правило, уменьшается за счет перехода их в более мобильные минеральные формы. При внесении удобрений содержание легкогидролизуемого азота возрастает. В полях пара и первой культуры по паровому предшественнику количество легкогидролизуемого азота постепенно снижается, что обусловлено длительным перерывом в поступлении свежего растительного вещества в почву. Послеуборочное пополнение ыортыассы отмершими корнями и пожнивными остатками способствует увеличению содержания этой фракции азота, проявившемуся в поле второй культуры по П2ру. В хорошо окультуренных черноземах Абанского ГСУ за счет высокой насыщенности севооборотов многолетними травами (люцерны) и регулируемой их распашки, обеспечивающей постоянный приток свежих растительных остатков, богатых белковыми соединениями, загисы легкогидролизуемых фракций азота выше, чем в менее окультуренных черноземах производственных полей Устьянского совхоза.

В составо подвижного минерального азота в пахотных черноземах Сродней Сибири четко выражено накопление как аммонийной, так и нитратной формы. Низкое содержание и быстрая трансформация нитратного азота в цикле биохимических процессов почвы указывает на незначительную роль этой формы азота в питании растений, круговороте и балансе. Мевду содержанием //-/У05 *Ы-ЫНц в почве весной перед посевом пшеницы и величиной урожая получены высокие коэффициенты корреляции (г = 0,75+0,18 - 0,82+0,22). Каждая отдельная форма минерального азота улавливает меньшую степень связи, а легкогидролизуемнй азот не дает достоверной связи о величиной урожая пшеницы.

Динамика обеих форм минерального азота имеет общие черты: весной количество их максимальное, летом - минимальное, осенью -либо еще уменьшается, либо слегка повышается. Минеральные удобрения способствуют более заметному накоплению нитратов в почве, чем аммония, а органические удобрения - наоборот.

Методом информационно-логического анализа (Генес, 1967; Еур-лакова, 1984) установлено влияние одних и тех же факторов (предшественник > трудногидролизуемый аз от ^ рН водный гумус легкогидролизуемнй > ПК) на мобилизацию как нитратного, так и аммонийного азота. Слабое влияние легкогидролизуемого азота в накоплении обеих форм минерального не позволяет использовать этот показатель в диагностических целях, но дополняет характеристику по оценке качественного состава азотного фонда почв.

Глава 6. АЗОТМОШИЗУЩАЯ СПОСОШОСГЬ ЧЕРНОЗЕМОВ

Показателем степени мобилизации азотсодержащих органических веществ в почве олужиг интенсивность процессов аммонификации и нитр1фикации. Направление, уровень и соотношение этих процессов в пахотных-черноземах Средней Сибири изучены достаточно хорошо (Антонов, 1967; Вугаков, Шугалей, 1967; Скляднев, 1970; Кильби, 1971; Попова, Лубите, 1975; Таскина, 1979). Показано также, что одним из способов, регулирующих и активизирующих накопление минерального азота, являются удобрения (1>угаков, Лубите, 1968; Крупкин, 1982; Майборода, 1982; Удобрения..., 1982). С помощью, модельного и вегетационных опытов мы изучили влияние удобрен!;.'! на интенсивность минерализации и накопление подвижных фор.) апота в черноземах различного землепользования (целинном и пахотном 1 и степени окультуренности (малоокультуренная пашня - удобрения

tie вносились з течение 20 лет и более окультуренная - внесено за этот период N - 545, FgC^ - 615, К20 - 545 кг/га д.в., по данним Ивченко, 1981). Выполненные исследования подтвердили известное положение о том, что в превращениях азотсодержащих соединений принимают участие все фракции (Славняна, 1978; Гамзиков, 1981; Помазкина, 1985).

Но величине нитрифицирующей способности черноземы располагаются в такой же ряд, как и по содержанию нитратов до компостирования: малоокультуренный<более окультуренный< целинный. Нитрато-накопленне достигает самых больших величин во всех почвах после годичного компостирования: 300 мг/кг в черноземе естественного фитоценоза, 222 мг/кг - окультуренной, тшни, 186 мг/кг - мало-окультуренной. Внесение азотных удобрений активизирует нитрифи-кационный процесс. В целинной почве это происходит позднее и с меньшей интенсивностью, чем в пахотных.

Процессы превращения азотсодержащих соединений в пахотном черноземе при компостировании и при выращивании сельскохозяйственных растений в присутствии минеральных удобрений характеризуются достоверным увеличением фракции трудногидролизуемого азота и уменьшением лопсогадролизуемого. Благодаря постоянному обновлению системы гумусовых веществ, происходит обмен азотсодержащими периферическими группировками или, по мнению Л.В.Помазкиной (1985), одновременный переход азотистых структур из подвижных в малоподвижные и наоборот. Поэтому трудногидролизуемый азот при активизации биохимических процессов может постепенно мобилизоваться. В наших опытах это подтверждается высокой величиной информации, передаваемой на изменение содержания минерального азота от трудногидролизуемого. Так, величина Т связи ы-ЫОл с труд-ногидролизуемым азотом равна'0,2695 бит,' с легкогидролизуемым -0,1747 бит, величина.Т связи 0,2128 и 0,1224 бит, соот-

ветственно.

В целинной почве, впервые использовавшейся под посев сельскохозяйственных растений в присутствии внесенных минеральных удобрений, наблюдается незначительная убыль трудногидролизуемого азота я существенная прибыль легкогадроллзуемого. Это свидетельствует о том, что интенсивность минерализации гидролизуемых соединении органического вещества из почвенного фонда небольшая и запасы его пополняются за счет трансформации большой массы рас-титольных остатков, богатых к тому же азотом (3,8+0,4 пробив

2,3<0,5 в растительных ocxaTicax пахотной почвы).

Большим резервом в улучшении азотного режима почв яшии/1:сн сидераты (Кант, 1982; Васильев и др., 1984; Елагин, 1985; Берников, 1987; Сдобников, 1989; Путинская, Иванова, 1991; v/ebor, 1991). В малогумусшх почвах сидерация способствует увеличении не только минерального, но и общего азота (Довбаи, I9L5; 1992), уменьшению до 35-42% непроизводительных потерь и усилению биологического закрепления азота (Лошаков и др., 1988), а также повышению водорастворимого (Попов и др., 1983) и лабильного органического вещества (Зезюков, Дедов, 1992).

Как свидетельствуют результаты наших исследований, запайка растительной массы донника или озимой ржи в висскогумусную черноземную почву не изменяет количество трудногидролизуемых фракций азота, но приводит к заметному увеличению наиболее подвижной, фракции лепшгидролизуемого азота почвы. Это указывает на ai строе закрепление азотных соединений сидеральной массы в составе органического вещества почвы. Отмечено длительное последействие сидератов на накопление нитратов в выщелоченном черноземе.

' Глава 7. КРУГОВОРОТ И ШАНС АЗОТА В АГР(ХЖОСИСТЕ&!АХ '

7.1. Концентрация и динамика запасов азота

На элементный химический состав растений влияют генетический и экологический факторы (Виноградов, 1952; Ильин, 1985), а такие возраст растений (Турчин, i960; ТитляноБа, 1972; Заболоц- • кая, 1985). Содержание азота в надземных органах полевых культур меняется в течение сезона значительнее, чем в корнях. К концу сезона концентрация'азота в листьях, стеблях, ветоши и сорняках падает, а в зерне, накапливающем протеин, нарастает. Крупные и мелкие корни полевых культур по содержанию азота не различаются. Процессы трансформации растительных остатков сопровождаются повышением содержания азота в мелкой мортмассе по сравнению с крупной.

Запасы азота в растительном веществе прямо пропорциональны запасам различных фракций растительного вещества и концентрации в них азота. Динамика этих запасов определяется особенностями продукционно-деструкционных процессов в агроэкосистемах.

7.2. Обменные процессы и баланс азота в подсистеме "растительное вещество"

Потребление азота агрофитоценозами происходит в соответствии с динамикой продукционного процесса. Максимальное потребление азота из почвы наблюдается до фазы цветения - 7'(-85%, используемого за сезон (8-28 г/м2). Поглощение азота снижается в условиях недостатка влаги и слабой обеспеченности почвы доступным азотом. Запашка бобового сидерата способствует интенсивному потреблению азота полевыми культурами в течение более длительного периода, чем запашка злакового сидерата.

Поступление азота в почву связано с интенсивностью деструкции растительного вещества. Б агроценозах зерновых культур по лкн бому предшественнику азот поступает в мортмассу в течение всего . вегетационного сезона: летом - с отмершими корнями и надземными органами растений, после уборки - с пожнивными и корневыми остатками. В засушливые годы преобладает летнее поступление азота; в агроценозах пшеницы по свдеральным парам, в отличие от возделываемой по чистому пару, - послеуборочное. За ротацию зернопаро-пропашного сезооборота поступает азота в'мортмассу 48 г/(м2» •6 лет): 19 - за периоды до уборки, 29 - после уборки. В зерно-травяном звене - 25 г/(м2*3 года), из них 5 - до уборки. В зер-нопаровых севооборотных звеньях поступление азота увеличивается при внесении в пар навоза или запашке сидератов (см.табл.1). В итоге за ротацию звена с применением донникового сидерата азота поступает в мортмассу в 2-2,5 раза больше, чем в зернотравяном или зернопаровых с другими сндератами и навозом.

В результате минерализации мортмассы происходит высвобождение из нее азота и возврат его в почву. Для каждого агроценоза характерна своя динамика этого процесса, обусловленная влиянием многих причин: содержанием и запасами азота в растительных остатках, степенью разложения, наличия тепла и осадков, обеспеченностью почвы доступной влагой и подвижными формами азота, активностью микроорганизмов. Усиление процессов минерализации мортмассы сопровождается, как правило, повышением интенсивности освобождения из нее азота и возвращения в почву.

Удельная скорость возврата азота в агроценозах зернопаро-пронашного севооборота меняется от 0 до 200 мг/(г-сут) в летнее !фемя и от С) до 5'мг/(г«сут) в осенне-весеннес. Количественные

оценки интенсивностей и удельных скоростей высвобовдения азота в процессах разложения пожкивно-корневых остатков лвдерны, навоза и фитомассы сидератов показаны в табл.5. Интенсивность освобождения азота из донниковой сидеральной массы достигает максимальных значений, что связано с очень быстрой минерализацией лег--комобильных соединений этого сидерата. Возврат азота из запаханной в почву озимой ржи протекает медленно и с невысокой удельной скоростью из-за повышенного содержания в ее составе целлюлозы, затрудняющей быструю и глубокую трансформацию фитомассы. Наблюдается более интенсивный возврат азота из разлагающихся растительных остатков в агроценозах зерновых культур после сидераль-ных паров, чем посла чистых.

Иммобилизация азота, как процесс обратный процессу освобождения и возврата азота из растительных остатков, проявляется нерегулярно и не всегда подчиняется тем закономерностям, которые отмечены в литературе (Тарвис, 1976; Knapp et al., 1983; Королева и др., 1989; Cochran,1991). И тем не менее следует обратить внимание, что под растениями ее интенсивность больше, чем в пару, а при запашке в пар сидератов она не обнаружена. В послепаровой период интенсивность иммобилизации возрастает а достигает наибольших значений в агроценозе пшеницы по злаковому сидеральному пару. В среднем за год в зернопаровых звеньях севооборотов интенсивность иммобилизации составляет 0-0,8 г/м2, зерюпаропропаиь ном - 3,5 г/м2, что близко к оценке этого процесса в агроценозах Северного Казахстана на южном черноземе (Титлянова и др.,1984).

Установлено, что интенсивности прсцессов поступления и высвобождения азота из растительного фонда за ротацию зернопаро-пропашного севооборота и севооборотного звена, в паровое поле которого запахивается злаковый сидерат, сбалансированы. За ротацию зернопаровых с внесенным навозом или запаханной фитомассой донника процессы поступления и иммобилизации превышают интенсивности возврата, что определяет положительный знак баланса. Одновременно за счет минерализациА полного донникового сидерата почвенный фонд обогащается азотом в 3-5 раз сильнее, чем при распаде ржаного,отавного сидератов или навоза.

7.3. Баланс азота в системе почва - растительное вещество

Почти половина потребленного азота растениями зёрнопаропро-

пашного севооборота отчуждается с урожаем (рис.2). Поступление }

Таблица 5

Баланс азота в подсистеме "растительное вещество" в паровых полях и пласту лкцерны*

Составляющие баланса ! Чистый пар Сидеральный пар с запашкой } Пласт

.'без удоб-! 30 т ¡рении ¡навоза озшЙй ржи | донника отавы ! ! донника ! лщерны

Запас N в мортмассе:

начальный 4,9 6,0 8,1 5,2 4,9 6,9

конечный 3,1 3,7 10,0 5,6 6,1 12,7

Поступило л/ в мортмассу 0,0 12,6 10,0 40,2 13,2 14.1

Иммобилизовано N на' мортмассе 0,2 0,0 0,0 0,0 0,0 3,8

Осзободилось N при разложении мортмассы в период:

летний 1,6 14,6 3,5 35,8 7,3 12,1

осенне-зимне-весенний 0,4 0,3 4.5 4,0 4,7- 6,4

всего 2,0 14,9 8,0 39,8 12,0 18,5

Удельная скорость освобождения N , мг/Чг-сут) в период: летнийхх'' 32,9 289,4 11,5 779,1 130,2 182,0

осенне-зимне-весенний 1.1 1.0 6,4 11,8 12,7 11,9

Баланс -1,8 -2,3 +1,9 +0,4 +1.2 +5,8

х^ запасы в г/м2, интенсивности процессов в г/(м2.период);

максимальные значения в течение сезона

N.4

Рис.2. Круговорот азота в агроценозах зернопаропропаш- . ного севооборота

Прямоугольники - фонды азота: NA - в атмосфере, NP - в растительном веществе (Т - надземная фитомасса полевой культуры, Д -B3T0inb,WW - сорняки, R - корни, St - крупная мортмасоа, > 2 мм, Rem- "мелочь", < 2 мм), - почве в минеральных формах, Nj -почве в "лабильных органических соединениях, N2 - гумусе. Стрелки

- обменные процессы азота, с цифрами у стрелки - номер процессов, обеспечивающих поток азота: If - поглощение растениями, в т.ч. 12

- корнями, 13 - надземной фитомассой полевой культуры, - надземной фитомассой сорняков, 15 - переход в ветошь с отмирающими органами, 16 + - переход ветоши и сорняков в крупную мортмассу, Ig - переход в "мелочь" с измельчающейся соломой, Ig + Ijq -переход в "мелочь" с осыпающейся ветошью и отмирающими сорняками, 11Т - переход в "мелочь".с отмирающими корнями, Ij2 ~ освобождение из мортмассы, 113 + 1щ - иммобилизация на мортмассе, -поступление со стерней, 116 - переход лабильного органического

в минеральный, 11? - переход минерального в лабильный органический, 118 - поступление с осадками, Ijg - вынос с урожаем зерна,

120 ~ Деиитрификгщия, 121 - несимбиотпческая азотфиксация, 122 -поступление с удобрениями, 123 - переход лабильного органического в гумус, - переход азота гумуса в лабильный органический. Цифры в прямоугольниках - загаси азота в начале и конце ротации севооборота,' г/м2. Цифры в кружках - интенсивности обменных процессов, г/(м2«6 лет).

азота с минеральными удобрениями и осадками компенсирует этот вынос только на 23%. Остальное - азотом, высвобождающимся при разложении растительных остатков и почвенных органических компонентов. Из растительных остатков за ротацию севооборота поступает азота 67 г/(м2-б лет) или в среднем за год II г/м2. Интенсивность высвобождения азота из почвенного фонда достигает 51 г/(м2-б лет) или 8,5 г/(м2-год). Минерализуются различные фракции почвенного азота: лабильные соединения - 29, прочиосвязан-ные в структуре специфических гумусовых веществ - 22 г/(м2*6 лет). Это приводит к достоверному уменьшению запасов общего азота за ротацию севооборота.

В многолетнем цикле севооборота процессы обмена азота между фондами характеризуются сложной динамикой. Процессы освобождения или закрепления азота в каждом поле не приурочены к определенному периоду. Чаще преобладает процесс освобождения азота из лабильных соединений и его переход в минеральный фонд. Самая высокая интенсивность потока Nj,-~Nn наблюдается в агроценоаах кукурузы и первой пшеницы по пару, самая минимальная - в паровом поле. Интенсивности процессов по потоку Ni-~NJ] в полях пара, кукурузы и первой пшеницы по пару превышают интенсивности процессов обратного потока.

Из сказанного вытекает, что интенсивность минерализации почвенного азота под культурами не ниже, чем в пару. Снижение запасов минерального азота в полях кукурузы, пшеницы и ячменя в отдельные периоды протекает на фоне довольно интенсивного вы- / свобоэдения азота из разлагающихся растительных остатков и закрепления его в органических соединениях почвы по потоку . В периоды, когда интенсивность освобождения азота из растительных" остатков резко понижается, происходит переход азота по потоку Nj-'-N,) . Следовательно, чем выше интенсивность разложения растительных остатков и освобождения из них азота, тем меньше

потерь его из гумусного фонда. Учитывая ранее сформулированный вывод о прямой зависимости разложения.от массы растительных остатков, становится ясно, что чем больше в почве растительного вещества, тем меньше теряется азота из гумусного фонда.

В зернотравяном и зернопаровых звеньях севооборотов наибольший вклад в формирование минерального азота вносит разлагающееся растительное вещество сидератов или остатков люцерны. Характер цикла трансформации почвенного азота в таких севооборотах определяется типом парового поля (табл.6). В чистом пару без удобрений наблюдается постоянное высвобождение азота из лабильного фонда в минеральный. В сидеральных парах и пласту люцерны, напротив, - закрепление азота в лабильном органическом фонде. Интенсивность процесса закрепления азота в почве зависит от массы и качества сидератов. При запашке полного донникового сидерата она увеличивается в 4-6 раз по сравнению с запашкой отавного или ржаного сидератов. Это обусловлено очень высокой удельной скоростью высвобождения азота из донникового сидерата. "Образ" цикла, приобретенный в паровой период, проявляется затем в агро-ценозах пшеницы и ячменя.

За счет быстрого включения в круговорот азота, высвобождающегося при минерализации донникового сидерата и пожнивно-корне-вых остатков люцерны, наблюдается также закрепление его по потоку (рис.3). Азотный фонд почвы обогащается, что доказано и статистически. Запашка ржаного и отавного сидератов позволяет уравновесить запас легкотрансформируемых соединений азота и стабилизировать запасы устойчивых к биодеградации веществ в составе гумусного фонда. Применение навоза, в отличие от запашки в почву свежего растительного вещества, приводит к более интенсивному высвобождению азота из гумусного фонда и сохраняет тенденцию снижения в почве общего азота.

Глава 8. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПЛОДОРОДИЯ ЧЕРНОЗЕМОВ

Важной проблемой современного земледелия остается получение стабильно максимальных урожаев культур, что требует не только сохранения плодородия почв, но и дальнейшего его повышения (Лыков, 1988; Шишов и др., 1988; Кирюшин, 1989). При этом наблюдается две противоположные тенденции: рост эффективного и падение потенциального плодородия (Чагина и др., 1986; Крупкин,

Таблица 6

Обмен азота между минеральным и лабильным фоодами в паровых полях, г/(м2.сезон)

Пар

I

Запасы N м

Сезон

¡в нача-|В кон-!"®?3' {ле се- |це се-!1"" ¡зона |зона ! Ын

¡Разни-¡Переход из фон-!ца в ¡да в Фонд_

_ г

I

Чистый:

без удобрений лето осень- ?,9 11,2 +3,3 1,7 0,0

весна II ,2 14,6 +3,4 2,6 0,0

30 т/га лето 10,2 ' 14,0. +3,8 0,0 11,2

навоза осень-весна 14,0 22,5 +8,5 7,8 0,0

Сидеральный

с запашкой:

озимой ржи лзто 12,4 10,8 -1,6 0,0 5,5

осень- 10,8 13,6 . +2,8 0,0 5М

весна

донника лето 7,6 10,7 +3,1 0,0 32,9

осень- 10,7 18,6 +7,9 3,5 0,0

весна

отавы донника лето 7,4 5,4 -2,0 0,0 9,3

осень- 5,4 14,6 +9,2 4,1 0,0

весна

Пласт лвдерны лето 7,2 7,3 +0,1 0,0 8,4

осень- 7,3 11,6 +4,3 . 0,0 2,5

весна

1993). Такая ситуация маскирует растрату "зашса прочности" почв и представляет определенную опасность.

Анализ собственного я литературного материала свидетельствует о том, что современный этап давно освоенных черноземов Средней Сибири характеризуется достижением нового равновесного состояния органического вещества, для которого свойственен свой уровень устойчивости к биологическим потерям гумуса и азота. Концепция оптимального землепользования заключается в сохранении максимального количества органических компонентов в почве, обеспечивающих существенное повышение плодородия черноземов за счет

Ряс.З. Круговорот азота в зернопаровоц звене севооборота с запашкой донникового сидерата. Обозначения см на рис.2. Запасы в г/ы2, интенсивности процессов в г/(м2»3 года)

усиления направленного обмена циклов углерода и азота в системе почва - растение.

Как показали экспаршентальные данные, поступление органических веществ в почву увеличивается при повышении интенсивности продукционного процесса, совершенствовании структуры посевов (севообороты), запашке сидератов. Недооценка влияния растительного вещества на продуктивность и плодородие почв является одной из приан пассивного внедрения в сельскохозяйственное производство сидеральных культур, альтернативных минеральным' удобрениям, но экологически чистых. Установлено, что запашка 12 т/га фитомассы донникового сидерата и 8 т/га пожнивно-корневых остатков люцерны приводят к положительному балансу углерода и азота в агроэкосис-темах.

.ВЫВОДЫ

I. Продолжительное функционирование черноземов Средней Сибири в агроэкосистемах характеризуется достижением равновесного состояния органического вещества со свойственным ему уровнем ус-

тойчивости к биологическим потерям гумуса и установившейся скоростью круговорота углерода и азота. Траты лабильных компонентов органического вещества в процессах минерализации компенсируются поступлением в почву свежих растительных остатков.

2. Статистически установленные параметры показателей гумус-ного состояния - содержание, запасы, профильное распределение гумуса и азота, отношение С , степень гумификации, фракционный состав гумуса и азотного фонда - являются четким критерием диагностики черноземов Средней Сибири на подтиповом классификационном уровне.

3. Характер гумусного состояния и специфика состава азотного фонда обусловливают невысокую подвижность азотсодержащих компонентов в черноземах. Суммарный уровень содержания нитратов и аммония в почве весной, зависящий от предшественника>свойств почвы >ГГК, может служить показателем обеспеченности пшеницы доступным азотом. Поступление в почву свежего растительного вещества импульсирует накопление легкогидролизуемого и минерального азота.

4. Внутрисезонная и мекгодичная динамика запасов растительного вещества в агроэкосистемах - следствие процессов прироста, отмирания и разложения его компонентов. Роль корней в функционировании агрофитоценозов возрастает при улучшении условий вла-гообеспеченности и питания.

5. Продукция в агроэкосистемах варьирует в диапазоне 5101480 г/См^тод), из них 26-44% - доля корней. Установлено, что 15-58$ продукции сельскохозяйственных растений отмирает и переходит в состав мортмассы еще до уборки. Процессы разложения определяются в первую очередь свойствами самих растительных остатков - массой и химическим составом. В многолетнем цикле продукционные процессы компенсируются деструкционными, а баланс растительного вещества приближается к равновесному.

6. Процессы разложения пожнивно-корневых остатков люцерны, навоза, ржаного и донникового сидератов в паровых шлях протекают в различном ритме и с неодинаковыми интенсивностью и удельной скоростью. Период полного разложения навоза короче периода минерализации обоих сидератов и остатков лкцерны. Интенсивность продукционного процесса в агроценозах зерновых- культур по сиде-

ральным парам в последействии возрастает. Запашка ржаного епдера-та приводит к стабилизации, а донникового (полного и отавного)

и люцерновых остатков - к накоплению запасов растительного вещества в почве соответствующих севооборотных звеньев.

7. Агроэкосистемы вовлекают' в биологический круговорот за счет ежегодной продукции 200-520 г/м2 углерода и 8-28 г/м2 азота. Сезонные флюктуации высвобождения углерода и азота из растительных остатков не имеют регулярного характера и полностью' совпадают с ритмикой и интенсивностью разложения.

8. Запас минерального азота в агроэкосистемах формируется при минерализации растительных остатков и освобождении азота из почвенного фонда. Количественные оценки и соотношение этих процессов варьируют в зависимости от массы внесенного навоза, поступившего растительного вещества в виде сидератов или пожнивно-корневых остатков лкцерны. Интенсивность закрепления азота в органических соединениях почвы при запашке донникового сидерата увеличивается в 4-6 р!3 по сравнению с запашкой отавного (бобового) или ржаного сидератов.

9. Количество углерода, включившегося в процессы гумификации при разложении пожнивио-корневых остатков лкцерны, фитомассы донникового и ржаного сидератов выше (123-135)? чем при трансформации отавного сидерата (87) и навоза (63 г/(м2-год)). Положительный баланс углерода и азота в агроэкосистемах устанавливается уже при запашке в почву 8 -т/га пожнивно-корневых остатков люцерны и 12 т/га фитомассы донникового сидерата.

10. Количественная оценка составляющих углеродного и азотного баланса является критерием характеристики функционирования

и направленности развития агроэкосистемы. Рациональное землепользование и воспроизводство плодородия черюземов Средней Сибири может быть обеспечено расширением посевов многолетних бобовых трав, увеличением доли сидеральных паров, а также снижением непроизводительных расходов продуктов минерализации фитомассы сидератов за счет сокращения периода деструкционного цикла.

Основные работы, опубликованные по теме диссертации Монографии

1. Почвы Красноярского края (в соавторстве с П.С.Бугаковим и С.М.Горбачевой). Красноярское книжное издательство. -1981. -127 с.

2. Лгрофизичеокая характеристика почв степной и сухостеп-

ной зон Азиатской части СССР. Глава I. Агрофизическая характеристика почв южной части Красноярского края (в соавторстве с П.С.Бу-гаковым, Э.П.Поповой и др.) - М.: Наука, 1982. -С.71-98.

Научные статьи

1. Содержание и качественный состав гумуса в основных почвах Красноярской лесостепи (в соавторстве с П.С.Бугаковым) //Почвоведение. -1970. -Я2. -С.46-55.

2. Особенности биологического круговорота азота и зольных элементов под покровом полевых культур в условиях Красноярской лесостепи (в соавторстве с П.С.Бугаковым) //Научные оснойы повышения плодородия почв и их рационального использования. -М.,

1972. - С.58-69.

3. О роли полевых культур в биологическом круговороте зольных элементов и азота на выщелоченном черноземе Красноярской лесостепи (в соавторстве с П.С.Бугаковым) //Биологические науки. -

1973. -KI. -С.125-130.

4. Особенности биологических процессов в длительно-сезонно-мерзлотных почвах Красноярской лесостепи-(в соавторстве с П.С.Бугаковым, Э.П.Поповой и др.) //Почвенный криогенез и мелиорация мерзлотных и. холодных почв. -М.: Наука, 1975. -С.219-221.

5. Несколько обобщенных показателей характеристики основных почв Красноярской лесостепи (в соавторстве-с П.С.Бугаковым) // Почвы Сибири и их рациональное использование. 4.1. Генезис, классификация и современные процессы. -Красноярск, 1975. -С.14-18.

6. Итоги изучения режимов почв Красноярской лесостепи (в соавторстве с П.С.Бугаковым и др.) //Специфика почвообразования в Сибири. - Новосибирск: Наука, 1979. -С.257-267.

7. Плодородие почв и биологический круговорот веществ в аг-роценозах Красноярской лесостепи //Биологическая продуктивность _ почв и ее увеличение в интересах народного хозяйства. -М.: МГУ, 1979. - I81-182.

8. Динамика форм азота в выщелоченных черноземах Красноярской лесостепи (в соавторстве с С.К.Кан и др.) //Научные основы интенсификации земледелия и пути повышения плодородия почв и урожайности с.-х. культур. -Иркутск, 1979. -C.II7-I25.

9. Органическое вещество лесостепных почв //Почвы зоны КАТЭКа. -Красноярск, l'JRI. -С.80-89.

10. О гюлшг'лоо'П) азотистых соединении в некоторых почвах

Красноярского края (в соавторстве с А.А.Алексеевым и др.) //Совершенствование системы удобрений в интенсивных севооборотах Сибири и Дальнего Востока. -Новосибирск, 1982. -С.78-86.

11. Азот как показатель плодородия длительно промерзающих черноземов Красноярского края //Гез.докл. на Всесоюзн. симпозиуме: Биологические проблемы Севера. -Магадан, 1983. -С.302-303.

12. 1^мусное состояние почв лесостепной части Красноярского края //Баланс органического вещества и плодородие почв в Восточной Сибири. -Новосибирск: ВАСХНИЛ СО, 1989. -С.9-15.

13. Динамика запасов растительного вещества в агроценозах Красноярской лесостепи (в соавторстве с Э.К.Низких) //Там же. -С.15-26.

14. Трансформация растительного вещества в агроценозах Красноярской лесостепи (в соавторстве с Э.К.Низких) /Дез.докл. на регионал. совещ.: Проблема гумуса в земледелии. -Новосибирск, 1983. -С.55-56.

15. О некоторых изменениях функционального состава гумусовых кислот черноземов Красноярской лесостепи в процессе землепользования (в соавторстве с Г.Е.Золотухиным, А.А.кремовым) // Сибирский Вестник сельскохозяйственной науки. -1988. -.№4. -С.1Э-17.

16. Азотный режим чернозема выщелоченного Абанского ГСУ в условиях интенсивного использования (в соавторстве с Г.С.Лишш-ным) //Плодородие почв и его воспроизводство в земледелии Восточной Сибири. -Новосибирск: ВАСХНИЛ СО, 1988. -С.30-38.

17. Роль сидератов в азотном режиме черноземов Красноярской лесостепи (в соавторстве с Г.А.Евсеевой) //Тез.докл. на УШ съезде ВСП. -Новосибирск, 1989. -Кн.3. - С.126-127.

18. Режим азотных соединений в черноземе выщелоченном Красноярской лесостепи //Агротехника сельскохозяйственных культур в Восточной Сибири. -Новосибирск: ВАСХНИЛ СО, 1989. -С.92-102.

19. Плодородие черноземов Средней Сибири //Плодородие почв и агротехника сельскохозяйственных культур в Восточной Сибири. -Новосибирск: ВАСХНИЛ СО, 1990. -С.4-10.

20. Влияние сидератов на мобилизацию почвенного азота (в соавторстве с Г.А.Евсеевой) //Агрохимия. - 1990. №10. - С.6-18.

21. Азот в черноземах Средней Сибири и пути его регулирования // Тез.докл. на Всесоюзн. конф.: Проблема экологизации азотного питания растений в интенсивном земледелии. - Новосибирск, 1990. -С..125-126.

22. Агрономическая характеристика почв земледельческой части Красноярокого края (в соавторстве с П.С.Дугаковым): Учебное пособие /КрасГЛУ. -Красноярск, 1991. -40 о.

23. Современное состояние черноземов Средней Сибири (в соавторстве с П.С.Бугаковнм и Э.К.Низких) //Тез.докл. па научи, конф.-, посвящ. 100-летию В.В.Докучаева по борьбе с засухой и преобразования степей России. - Новосибирск, 1992. -КН.2. -С.5-7.

24. Продукционно-деструкционные процессы и баланс органического вещества в агроценозах Красноярской лесостепи (в соавторстве с Э.К.Низких) //Плодородие почв и агротехника сельскохозяйственных культур в Восточной Сибири. - Новосибирск: РАСХН СС, 1992. - С.4-15.

25. Деструкционные процессы в паровых полях лесостепной зоны Средней Сибири //Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. -1992. -С.12-18.

26. Обменные процессы и баланс азота в подсистеме "растительное вещество" на черноземах Средней Сибири //Тез.докл. научи, конф. КрасГАУ: Наука - сельскохозяйственному производству. -Красноярск, 1993. -С.38-40.

Практические рекомендации

I. Способы регулирования гумуоного состояния почв в земледелии: Информ. листок №302. -86. -Красноярск: 1ЩТИ, 1986. -4 с.

Типография Красноярского Научного Центра СО РАН. Тираж 120 экз. Объем 2 п.л. Зп««э №4.