Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Оценка эмиссии парниковых газов из сельскохозяйственных почв при использовании различных агротехнологий
ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика
Автореферат диссертации по теме "Оценка эмиссии парниковых газов из сельскохозяйственных почв при использовании различных агротехнологий"
На правах рукописи
005020377
Павлик Сергей Владимирович
ОЦЕНКА ЭМИССИИ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ ИЗ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПОЧВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАЗЛИЧНЫХ АГРОТЕХНОЛОГИЙ
Специальность 06.01.03 - агрофизика
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
5 хП? ы
12
Санкт-Петербург - 2012
005020377
Работа выполнена в Государственном научном учреждении Агрофизический научно-исследовательский институт Российской академии сельскохозяйственных наук
Научный руководитель: кандидат биологических наук
Наталья Петровна Бучкина
Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,
профессор
Александр Иванович Попов
кандидат сельскохозяйственных наук Антон Викторович Лаврищев Ведущее учреждение: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр
экологической безопасности Российской Академии наук
(НИЦЭБ РАН)
Защита диссертации состоится апреля 2012 г., в ............. на заседании
диссертационного совета Д 006.001.01 при Агрофизическом научно-исследовательском институте Российской академии сельскохозяйственных наук по адресу: С-Пб, Гражданский пр., д. 14.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ АФИ Россельхозакадемии. Автореферат разослан «.2.3» марта 2012 г.
Приглашаем вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании Диссертационного совета или прислать отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, по адресу: 195220, С-Пб, Гражданский пр., д.14.
Ученый секретарь диссертационного совета X
доктор биологических наук Е. В. Канаш
Актуальность темы. В 2004 году Российской Федерацией был ратифицирован Киотский протокол. По условиям этого международного соглашения Россия взяла на себя обязательства по созданию национального кадастра выбросов парниковых газов и ежегодному представлению государственных докладов о динамике эмиссий парниковых газов в атмосферу (Справочное пособие: Парниковые газы - глобальный экологический ресурс, 2004). Создание подобного кадастра требует изучения и оценки всех источников парниковых газов, имеющихся на территории РФ. Сельское хозяйство, как отрасль, являющаяся одним из основных источников парниковых газов во всем мире, требует детального подхода в изучении механизмов образования (выделения в атмосферу) и способов регулирования поступления парниковых газов в атмосферу.
Парниковые газы, основными из которых являются углекислый газ (С02), метан (СН4) и закись азота (N2O), удерживают теплое инфракрасное излучение в атмосфере нашей планеты, согревая ее. Увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере, по мнению ряда ученых, приводит к увеличению количества удерживаемого в атмосфере тепла и созданию парникового эффекта (Bouwman, 1990, Crulzen and Enhhalt, 1997-2000, Kroeze 1999).
Необходимость оценки эмиссии парниковых газов из сельскохозяйственных почв связана с важнейшей ролью, которую играют почвы в образовании этих газов (особенно N20 и С02). По разным оценкам от 25% до 40% (Bouwman and Germon, 1998; Смагин, 2005; Кудеяров и др., 2007) парниковых газов имеют почвенное происхождение, что важно при рассмотрении ключевой позиции почвенного покрова в биосферном круговороте этих газов.
Цель работы - оценить эмиссию парниковых газов из сельскохозяйственных почв при использовании азотсодержащих минеральных удобрений и применении различных видов основной обработки почв. Задачи исследования:
• Определить влияние степени окультуренности пахотных дерново-подзолистых супесчаных почв на прямую эмиссию закиси азота при внесении минеральных удобрений;
• Определить влияние азотсодержащих минеральных удобрений на прямую эмиссию закиси азота из пахотных дерново-подзолистых супесчаных почв при выращивании пропашных культур и культур сплошного сева;
• Оценить влияние различных способов основной обработки почв на прямую эмиссию закиси азота из серых лесных среднесуглинистых почв;
• Определить влияние сельскохозяйственного использования заливных лугов на
эмиссию парниковых газов из органогенных почв.
Научная новизна. Впервые проведена оценка прямой эмиссии закиси азота из сельскохозяйственных дерново-подзолистых супесчаных почв Ленинградской области и серых лесных среднесуглинистых почв средней полосы РФ.
Установлены достоверные различия во влияние различных способов основной обработки почв на эмиссию закиси азота из серых лесных среднесуглинистых почв средней полосы РФ и даны рекомендации по применению способов основной обработки почв с целью снижения эмиссии закиси азота из почв.
Проведена комплексная оценка эмиссии углекислого газа, закиси азота и метана из торфяных почв с разной мощностью торфяного горизонта при интенсивном использовании заливных лугов под сенокосы.
Практическая значимость. Результаты работы могут использоваться при принятии решений о внесении минеральных азотсодержащих удобрений при выращивании пропашных культур, культур сплошного сева и трав, а также при принятии решений о применении различных способов основной обработки почв с целью снижения прямой эмиссии закиси азота из сельскохозяйственных почв.
Данные по прямым эмиссиям закиси азота из сельскохозяйственных почв могут быть использованы для проверки компьютерных моделей, прогнозирующих эмиссию этого газа из сельскохозяйственных почв.
Апробация работы. Основные положения работы были представлены на всероссийских и международных конференциях: «Эмиссия и сток парниковых газов на территории северной Евразии» (Пущино, Россия, 2007); «Современная агрофизика -высоким технологиям» (С-Пб, Россия, 2007); «BioPhys2007» (Люблин, Польша, 2007); Всероссийский Съезд Почвоведов (Ростов-на-Дону, Россия, 2008); «Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития» (Киров, Россия, 2008); «Land Management in a Changing Environment» (Эдинбург, Шотландия, 2008); «Продукционный процесс растений: теория и практика эффективного и ресурсосберегающего управления» (С-Пб, Россия, 2009); «Методическое обеспечение мониторинга земель сельскохозяйственного назначения» (Москва, 2009); «Ресурсосберегающие технологии использования органических удобрений» (Владимир, Россия, 2009); «Soil Degradation» (Рига, Латвия, 2009); ISTRO «Sustainable agriculture» (Измир, Турция, 2009); «Снижение отрицательного воздействия на окружающую среду химически активного азота при производстве сельскохозяйственной продукции» (Пушкин, Россия, 2009); «Bioklima2010» (Прага,
2
Чехия, 2010); «Актуальные проблемы развития АПК в Верхневолжье» (Суздаль, Россия, 2010).
Часть работы была выполнена в рамках международного сотрудничества с польским институтом Мелиорации и Луговодства в Фалентах (Щецин) при финансовой поддержке фонда имени Миановского.
Публикации. Материалы диссертации изложены в 23 работах, три из которых опубликованы в международных журналах (включенных в систему цитирования Scopus) и одна в российском реферируемом журнале из перечня ВАК.
Объем работы. Диссертация изложена на 132 страницах, состоит из 4 глав, сопровождается 39 рисунками и 18 таблицами. Список литературы включает 134 наименования, из которых 86 на иностранном языке.
Автор выражает глубокую признательность сотрудникам ГНУ АФИ Россельхозакадемии: своему научному руководителю, в.н.с., к.б.н., Н.П. Бучкиной, руководителю отдела Физики, физико-химии и биофизики почв, к.б.н., Е.В. Балашову и с.н.с., к.б.н., Е.Я. Рижия за помощь в организации и проведении исследований, а также сотрудникам ГНУ Владимирский НИИСХ Россельхозакадемии д.б.н. С.И Зинченко и к.б.н. М.К. Зинченко за предоставление возможности проведения исследований на базе Владимирского НИИСХ. Автор также благодарен доктору Петру Бурчику с коллегами из Института мелиорации и луговодства в Фалентах, (Щецин, Польша) за помощь в организации и проведении эксперимента на торфяных почвах фермерских хозяйств Польши.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ГЛАВА 1. Литературный обзор состояния вопроса
В главе представлен обзор литературы об основных парниковых газах и их роли в глобальном изменении климата, а также большое внимание уделено описанию круговорота азота и места N2O в нем. Описаны основные микробиологические процессы образования и поступления N2O в атмосферу. Подробно описаны почвенные физико-химические факторы, влияющие на эмиссию парниковых газов из почв. Приведено обобщение материалов исследований и статей российских ученых посвященных эмиссии парниковых газов из сельскохозяйственных почв РФ. Показана нехватка исследований прямых эмиссий парниковых газов из сельскохозяйственных почв России, в особенности закиси азота и метана.
ГЛАВА 2. Объекты и методы исследования
Задачи, поставленные в работе, решались в трех полевых и одном лабораторном эксперименте. Объектами исследования были выбраны почвы нескольких регионов.
Эмиссию закиси азота из пахотных дерново-подзолистых супесчаных почв разной степени окультуренности при внесении минеральных удобрений определяли на почвах Агрофизического стационара Меньковского филиала Агрофизического НИИ Россельхозакадемии, располагающегося в Гатчинском районе Ленинградской области. Агрофизический стационар входит в систему экспериментов, в которых устанавливаются параметры физических свойств почвы, оптимальные для роста и развития растений, а также разрабатываются технологии формирования таких свойств почв в процессе сельскохозяйственного использования земель. Стационар на базе Меньковского филиала ГНУ АФИ был создан в 2003 г. под руководством академика РАСХН В.А. Семенова. На участке в 1.5 га было создано 3 парцеллы, площадью 0.5 га каждая, с различным уровнем окультуренности почв: i) «слабо окультуренная», куда органическое удобрение не вносили; ii) «средне окультуренная», куда в 2003 г. и 2004 г. внесли по 80 т га"1 органических удобрений и 1 т га"1 извести в 2005 г.; iii) «высоко окультуренная», куда к 2006 г. внесли 520 т га'1 органических удобрений (160, 320 и 40 т га"1 в 2003, 2004 и 2005 гг. соответственно) и 3 т га"1 извести в 2005 г.
В 2006 и 2007 гг. парцеллы почв с разной степенью окультуренности были разбиты на делянки (в тройной повторности), различающиеся дозами ежегодно вносимых азотсодержащих минеральных удобрений (в 2006 г. — No/N6o на слабо окультуренной почве, N0/N90-100 на средне окультуренной почве, Nq/Nuo на высоко окультуренной почве; в 2007 г. — NVNuo на слабо окультуренной почве; N40/N120 на средне окультуренной почве; N60/N110 на высоко окультуренной почве). Длина делянок составила 48 м, ширина 5.5 м. В 2006 г. на всех участках выращивали ячмень и капусту, а в 2007 г. — клевер и морковь. При изучении эмиссии закиси азота из почв под клевером сравнивались только варианты слабо окультуренной и высоко окультуренной почвы без внесения азотных удобрений, так как минеральные удобрения под клевер не вносили.
Для оценки эмиссии закиси азота из почв применялся метод закрытых камер.
Камеры были изготовлены из пластиковых ведер объемом 3.5 литра, в дно которых
были вмонтированы трехходовые краны, позволяющие отбирать образцы воздуха с
помощью 60-мл шприца. Камеры устанавливались на поверхности почвы. Время
экспозиции камеры составляло 60 минут. Образцы газа из камер отбирали в герметично
закрытые пенициллиновые флаконы. На участках с культурами сплошного сева
4
устанавливали по три камеры, а на участках с пропашными культурами - по б (3 - на гребнях и 3 - в бороздах). Отбор образцов проводился 2-3 раза в неделю. Измерения проводились на протяжении вегетационного сезона (май-сентябрь). Анализ концентрации N20 в образцах воздуха проводили на газовом хроматографе Carlo Erba Strumentazione 4130, оснащенном детектором электронного захвата. Чувствительность данного детектора к N20 (температура детектора — 380°С, скорость потока газа-носителя — 40-50 мл в минуту, газ-носитель — азот высокой чистоты) позволяет измерять концентрацию этого газа в атмосферном воздухе с ошибкой 1%.
Для каждого варианта опыта рассчитывали среднесуточные значения эмиссии N2O (для пропашных культур рассчитывали средние значения как для почв борозд, так и для почв гребней). С помощью программы Excel рассчитывали средне квадратичное отклонение и стандартную ошибку среднего арифметического. Достоверность различий между средними значениями определяли с помощью дисперсионного анализа. Кумулятивный поток закиси азота по месяцам и за полный вегетационный сезон рассчитывали путем суммирования среднесуточных эмиссий. Для дней, в которые измерения прямых эмиссий не проводили, среднесуточные эмиссии считали равными средним значениям между величинами эмиссий двух ближайших дней, в которые измерения проводили.
Отбор почвенных образцов для определения физико-химических свойств почв проводили раз в две-три недели. В почвах определяли плотность сложения, влажность и содержание минеральных форм азота в пахотном слое почвы. Также определяли долю пор почвы занятых водой расчетным способом, исходя из известных значений плотности сложения, плотности твердой фазы и влажности почвы. Одновременно с отбором образцов воздуха для определения эмиссии закиси азота из почв, измеряли температуру почвы при помощи электронного термометра.
Оценку влияния различных способов основной обработки почв на прямую эмиссию закиси азота из серых лесных среднесуглинистых почв проводили на экспериментальном полигоне Владимирского НИИСХ (г. Суздаль, Владимирской области), где с 1986 г. проводится полевой эксперимент по оценке эффективности влияния различных способов основной обработки почвы на урожай сельскохозяйственных культур. В пятипольном севообороте последовательно выращивали ячмень, овес с подсевом многолетних трав, многолетние травы 1-го и 2-го года пользования, и яровую пшеницу. С момента начала эксперимента на полигоне применяли 6 различных видов основной обработки почвы. Для оценки влияния способа основной обработки почв на эмиссию закиси азота из почв были выбраны 4 из них:
5
ежегодная отвальная вспашка на глубину 20-22 см (ОВ); ежегодная безотвальная обработка на глубину 6-8 см (МБО); ежегодная безотвальная обработка на глубину 2022 см (ГБО) и комбинированная обработка на глубину 28-30 см, включающая безотвальную обработку на 6-8 см (в течение 4-х лет) и ярусную вспашку, проводимую 1 раз в 5 лет после трав второго года (КО). Кроме того, измерения прямой эмиссии закиси азота проводили на контрольном участке (К), где агротехнические приемы не применяли и азотсодержащие минеральные удобрения не вносили более 20 лет.
Образцы серых лесных почв с ненарушенным сложением для лабораторного эксперимента отбирали на вышеописанных участках в конце осени 2008 г. с помощью пластиковых цилиндров высотой 12 см и диаметром 10 см. С каждого участка было отобрано по восемь цилиндров. Перед началом лабораторного эксперимента в половину цилиндров внесли азотное удобрение (КЖ)3) из расчета 90 кг N га*1. Образцы, в которые не вносили удобрения, использовались в эксперименте в качестве контрольных. Цилиндры с почвой инкубировали в течение 50 дней при температуре 22°С. Образцы воздуха для определения концентрации закиси азота отбирали 2-3 раза в неделю, для чего цилиндры с почвой были помещены в герметично закрывающиеся камеры объемом 3.5 литра на протяжении всего эксперимента. Крышки камер были оборудованы трехходовыми кранами для отбора образцов с помощью 60 мл шприца. Отобранные в стеклянные флаконы образцы анализировались на содержание в них закиси азота на газовом хроматографе так же, как и в первом исследовании. На протяжении всего эксперимента в почвенных образцах поддерживалась влажность в пределах 28-31%, уровне, который соответствовал влажности почвы на момент отбора образцов. Содержание доступных форм минерального азота (N03" и КН4+) в образцах почв определяли ионоселективным методом.
Полевые измерения прямой эмиссии N^0 из серых лесных почв проводили на тех же участках в течение вегетационного сезона 2009 г. при выращивании овса с подсевом многолетних трав. На экспериментальном участке азот вносили в почву с минеральными удобрениями из расчета 60 кг N га"1. Для количественного определения эмиссии закиси азота, как и на дерново-подзолистых почвах Ленинградской области, применялся метод закрытых камер с последующим анализом образцов воздуха на газовом хроматографе с детектором электронного захвата.
Статистическая обработка данных включала в себя расчет средних суточных эмиссий закиси азота, кумулятивных потоков, среднеквадратичного отклонения и ошибки среднего арифметического значения. Достоверность различий между средними значениями определяли с помощью дисперсионного анализа.
6
Определение влияния сельскохозяйственного использования заливных лугов на эмиссию парниковых газов из почв проводили на торфяных почвах заливных лугов, используемых для выращивания многолетних трав на сено. Почвы располагались в долинах рек Плония и Ина в Западно-Поморском регионе Польши. Четыре участка, отличающихся по мощности торфяного горизонта, гранулометрическому составу минеральных горизонтов и физико-химическим свойствам, располагались примерно в 60 км от г. Щецина. Первый участок располагался на территории частной фермы. Почвы этого участка были отнесены к типу агрозем торфяный типичный с мощностью торфянистого горизонта 5 см. Второй и третий участки находились на полях крупного агропроизводства: почвы второго участка были представлены агроземом торфяным глееватым с мощностью торфяного горизонта 18 см, а третьего - агроземом торфяно-минералным типичным с мощностью торфа 24 см. Агротехнология выращивания трав на этих трех участках была сходной: укосы трав проводили три раза за сезон (22 мая, 1 июля и 21 октября 2008), минеральные удобрения (N68P22K44) вносили в почву сразу после проведения укосов. Четвертый участок располагался на территории заброшенного сельскохозяйственного угодья. Он был выбран в качестве участка сравнения, т.к. на нем в течение длительного времени не проводили сельскохозяйственных мероприятий. Почва этого участка - агрозем торфяно-минеральный типичный с мощностью торфяного горизонта 15 см.
Исследования эмиссии закиси азота, углекислого газа и метана из почв проводились методом закрытых камер. Камерами служили кольца из ПВХ (диаметр 30 см, высота 20 см) с герметично закрывающимися крышками. Кольца заглубляли в почву на глубину 3-5 см и на них устанавливали крышки с клапанами, для подключения измерительного прибора. Измерения проводились с конца апреля до середины сентября, 3-4 раза в месяц в 2-кратной повторности. В качестве газового анализатора использовали оптический газовый анализатор INNOVA 1412. Кроме анализа проб воздуха, на каждом из участков определяли влажность почв, измеряли температуру приземного слоя воздуха и температуру почвы на глубине 10-12 см, а также уровень грунтовых вод и плотность сложения почв. Статистическая обработка результатов проводилась с помощью программного продукта Excel. Рассчитывалось среднесуточное значение эмиссии парниковых газов для каждого варианта опыта, среднеквадратичное отклонение и стандартная ошибка среднего арифметического значения. Кумулятивный поток для каждого из определяемых парниковых газов рассчитывали так, как уже было описано выше.
ГЛАВА 3. Результаты и обсуждение
Эмиссия Н20 из дерново-подзолистых супесчаных почв Ленинградской области.
Вегетационные сезоны 2006 и 2007 гг. характеризовались небольшим количеством осадков (в 2006 г. — 457 мм, а в 2007 г. — 556 мм), а также были жаркими по сравнению со средними многолетними данными. Малое количество осадков и высокая температура воздуха негативно сказались на влажности почвы и оказали на наш взгляд ключевое влияние на эмиссию закиси азота из почвы. Недостаток почвенной влаги привел к тому, что доля пор почвы, занятых водой — ключевой показатель, влияющий, по мнению большинства исследователей, на эмиссию закиси азота из почв - была довольно низкой на протяжении вегетационных сезонов 2006 и 2007 гг. Доля почвенных пор, занятых водой связана с плотностью сложения почв и их влажностью. Плотность сложения почвы за время проведения исследования колебалась от 1,0 до 1,2 г см"3, а доля пор почвы, занятых водой в 2006 г. изменялась в перделах от 4 до 23% (ячмень), и от 4 до 18% (капуста), а в 2007 г -. — от 4 до 18% (клевер), и от 5 до 32% (морковь).
Суточная эмиссия закиси азота из дерново-подзолистых супесчаных почв была невелика. Минимальные значения не превышали 1.0 г N-N20 га 'сут"1, а максимальные
— 10.8 г N-N20 га 'сут"1 в 2006 г. В 2007 г. наблюдались единичные всплески закиси азота, доходившие до 143.8 г N-N20 га"1 сут"1. Подобные высокие значения эмиссии закиси азота наблюдались лишь в конце мая и совпали с первыми обильными осадками (70 мм за два дня) после внесения удобрений. В мае 2007 г. среднее содержание минерального азота (N0? + 1МН4) в почвах, где применяли азотные удобрения составляло 25-50 мг N кг"1; таким образом, для интенсивного процесса денитрификации, почвенные микроорганизмы обладали как высоким содержанием доступного азота, так и анаэробными условиями вследствие обильных осадков в тот период.
В среднем за сутки при выращивании ячменя в 2006 г. из слабо окультуренной почвы выделялось 1.68 г N-N20 га"' сут"' без внесения азотсодержащих удобрений и 3.53 г N-N20 га"' сут"1 при внесении минерального удобрения, из средне окультуренной
— 2.01 и 3.13 г N-N20 га"1 сут"1, а из хорошо окультуренной — 2.58 и 4.39 г N-N20 га"1 сут"1 соответственно. При выращивании капусты внесение минерального удобрения не оказало достоверного влияния на среднесуточную эмиссию N20. Различия в среднесуточной эмиссии N20 из почвы борозд и гребней также были недостоверными: из слабо окультуренной почвы эмиссия N20 составляла 2.0-2.23 г N-N20 га"1 сут"1, из
средне окультуренной — 2.82-3.36 г N-N20 га"' сут"1, из хорошо окультуренной почвы — 2.42-3.03 г N-N^0 га"1 суг"1.
В 2007 г. при выращивании клевера на слабо окультуренной почве среднесуточная эмиссия закиси азота составила 1.6 г N-N20 га"1 сут"1,а на хорошо окультуренной почве — 2.81 г N-N20 га"' сут"'. Результаты исследований показали, что среднесуточные эмиссии Ы20 из почв при выращивании моркови оказались в 2 раза выше среднесуточных эмиссий из почв под клевером. При выращивании моркови среднесуточные эмиссии N20 из почв гребней были примерно одинаковыми на всех вариантах опыта и колебались в диапазоне от 4.26 до 5.77 г N-N20 га"' сут"1. Среднесуточные эмиссии N20 из почв борозд возрастали при переходе от плохо окультуренной почвы к средне и хорошо окультуренной от 4.9 до 11.32 г N-N20 га"1 суг"1.
Кумулятивные потоки N20 из почв за вегетационный сезон 2006 г. изменялись от 0.3 до 0.7 кг N-N20 га"1 (рис. 1). Данные по кумулятивной эмиссии показывают, что почвы с разной степенью окультуренности при выращивании капусты и ячменя без внесения минерального азотсодержащего удобрения в 2006 г. достоверно не различались по этому показателю. Внесение удобрений во всех вариантах опыта увеличивало кумулятивный поток N20 из почв, однако при выращивании капусты это увеличение оказывалось не достоверным. При выращивании ячменя на слабо-, средне-и хорошо окультуренных почвах внесение минеральных азотных удобрений приводило к достоверному (Р=0.05, Р=0.08 и Р=0.04 соответственно) двукратному увеличению кумулятивного потока N20 из почв.
Кумулятивные потоки закиси азота (рис. 2а) за вегетационный период 2007 г. при выращивании клевера составили 0.3 кг Ы20-Ы га"1 из слабо окультуренной почвы и 0.5 кг ^О-К га"' из хорошо окультуренной (Р<0.001). При выращивании моркови (рис. 26) кумулятивные потоки закиси азота не превышали 1 кг N20-N га"1 на слабо и средне окультуренных почвах, а на хорошо окультуренных почвах эмиссия N20 из почв борозд превышала эту величину.
Низкие значения кумулятивной эмиссии закиси азота, зачастую отсутствующие достоверные различия между почвами разной степени окультуренности и вариантами с различными дозами азотных удобрений, незначительные отличия в эмиссии N20 из почв борозд и гребней, стали отличительными особенностями при выращивании пропашных культур на дерново-подзолистых почвах за 2006 и 2007 гг. вегетационные годы.
□ Ячм ■ Кап ень N min щ Ячмень N дгга1Мтах(б) □ Капуста N тах □ Капуст тт(гр) ■ Капуст N min (гр) N тах (6)
Iii II ! ШЛ J В—
Слабо окультуренная Среднеокультуренная Хорошо окультуренная
Рис. 1. Кумулятивные потоки N20 из дерново-слабоподзолистой супесчаной почвы при выращивании ячменя и капусты за вегетационный период 2006 г. Доза азотных удобрений: слабо окультуренная почва Г>)тш=0, 1Чтах=60 кг N га"1; средне окультуренная почва Ктш=0, Ытах=90-100 кг N га"1; хорошо окультуренная почва Ыт1п=0,1Чтах=110 кг N га"1, «б» — борозда, «гр» — гребень
1,6 1,4 1,2 1
^0,8 S0,6 i 0,4 0,2 О
I
Слабо Хорошо
окультуренная окультуренная
Слабо окультеренная Средне окультуренная Хорошо окультуренная
а. б.
Рис. 2. Кумулятивные потоки N20 из дерново-слабоподзолистой супесчаной почвы при выращивании клевера (а) и моркови (б) за вегетационный период 2007 г. Доза азотных удобрений: слабо окультуренная почва Ыгшп=40,1Чтах=П0 кг N га"'; средне окультуренная почва 1Чгтп=40, Мтах=120 кг N га"'; хорошо окультуренная почва 1Чтт=60, №пах=130 кг N га"', «б» — борозда, «гр» — гребень
При выращивании капусты в 2006 г. и моркови в 2007 г. суточные эмиссии закиси азота увеличивались в ряду от плохо окультуренной к хорошо окультуренной почве. Однако статистически достоверной связи между суточной эмиссией N20 и степенью окультуренности почв не наблюдалось. Увеличение же эмиссии N20 от плохо окультуренной почвы к хорошо окультуренной предположительно связано с более активной трансформацией азота в присутствии доступного углерода, содержание которого было выше в более окультуренной почве. В своей работе Р. Лемке с
соавторами (1999) описывает процесс эмиссии закиси азота из почв канадских прерий. В этой работе кумулятивная эмиссия закиси азота на пропашной культуре была выше из почв, где содержание углерода составляло 21 г С кг"', чем из почв содержащих 17 г С кг"1. Почвы, содержащие больше органического углерода, выделили в два раза больше закиси азота, как в гребнях, так и из борозд по сравнению с другими почвами. Видимо содержание доступного углерода в почве, как и азота в нитратной форме, может увеличивать эмиссию NjO в ходе денитрификации, в то время как процесс нитрификации замедляется от недостатка аммиачной формы азота в не зависимости от количества доступного углерода.
Из рисунка 1 и 2(6) видно, что кумулятивные потоки закиси азота были всегда выше из почв борозд, чем из почв гребней и возрастали с увеличением степени окультуренности почвы. Разница в эмиссии закиси азота из почв борозд и гребней определяется разницей в плотности сложения почвы. Как описывалось ранее, плотность почвы в бороздах была всегда выше, чем в почвах гребней, что и является причиной больших потерь азота в виде закиси именно из почв борозд. Такой же вывод был сделан в работе Д. Москуэра (2007), в которой изучался вопрос снижения эмиссии метана и закиси азота за счет применения технологий точного земледелия. В этом исследовании было установлено, что кумулятивный поток N2O из сельскохозяйственных почв на пропашных культурах был выше из почв борозд, чем из почв гребней, из-за более высокой плотности сложения почв. В другом исследовании Рузер с соавторами (1998) установил, что риск эмиссии N2O из более уплотненных участков почвы гораздо выше, чем из менее уплотненных. В его эксперименте при выращивании картофеля 68% всех потерь азота за вегетационный период в виде закиси пришлись на уплотненные почвы междурядий. В наших исследованиях при выращивании пропашных культур кумулятивный поток закиси азота из почв был выше в вариантах с внесением максимальных доз азотных удобрений, по сравнению с вариантами с минимальными дозами. Однако только при выращивании моркови для почв борозд на хорошо окультуренной почве эта разница оказалась достоверной. Корреляционная же связь между кумулятивными потоками закиси азота при выращивании моркови и дозами азота, внесенного с минеральными удобрениями оказалась невысокой (г^О.17, при Р<0.001). В исследованиях, проведенных двумя годами ранее на тех же почвах, (Бучкина и др. 2010) эта связь за период с 2003 по 2005 гг. была выше (г2=0.37, при Р=0.001). Такой результат можно объяснить большим количеством осадков за вегетационные периоды 2003-2005 гг. (в среднем 715 мм за вегетационный сезон с 2003 по 2005 гг. в сравнении с 507 мм за 2006-2077 гг.), которые
11
повлияли на гидрофизические параметры почвы, создавая более благоприятные условия для денитрификации. Этот вывод подтверждает и крайне низкая связь между кумулятивной эмиссией N20 и количеством выпавших осадков в 2006 г. при выращивании капусты (г<0.1). Малое количество осадков и высокая температура воздуха повлияли на долю пор почвы занятых водой. Значения этого показателя, опускавшиеся до 5% в середине лета, показывают отсутствие условий для интенсивного протекания процесса денитрификации — основного источника закиси азота.
Более привычная картина наблюдалась при выращивании культур сплошного сева. Так при выращивании ячменя в 2006 г. на почвах разной степени окультуренности внесение минеральных азотных удобрений существенно влияло на эмиссию Ы20 (рис.1). Как видно из рисунка, кумулятивные потоки N20 при внесении минеральных удобрений на участке с ячменем почти в 1.5-2 раза (Р=0.04) превышали эмиссию из почв без внесения дополнительного азота с удобрением. Такие различия в эмиссии N20 из почв при выращивании ячменя и капусты за вегетационный период 2006 г., по-видимому, связаны с различными агротехническими приемами, применяемыми при выращивании пропашных и зерновых культур. В засушливый вегетационный сезон 2006 г. сохранение почвенной влаги оказалось более эффективным на участках с ячменем, что отразилось в более высоких величинах доли пор почв занятых водой. Будучи культурой сплошного сева, ячмень защитил почву от испарения влаги лучше, чем капуста, при выращивании которой солнечные лучи легче испаряли влагу с поверхности почвы, так как она не была затенена растениями. Сохранение влаги привело к увеличению доли пор занять« водой и, следовательно, к более высоким эмиссиям закиси азота. Даже в такой засушливый год при выращивании ячменя связь между количеством осадков и эмиссией достигала г2=0.25. Полученные результаты свидетельствуют, что при низкой влагообеспеченности ни разница в доступном органическом веществе, ни внесение дополнительного минерального азота с удобрениями существенно и достоверно не увеличивают эмиссию N20 из дерново-подзолистых супесчаных почв, если заполнение порового пространства почвы водой оказывается незначительным.
При выращивании клевера в 2007 г. по результатам эмиссии закиси азота отчетливо видно, что кумулятивный поток из хорошо окультуренной почвы достоверно превышал эмиссию из слабо окультуренной почвы. Также эмиссия N20 была существенно ниже эмиссии из почв при выращивании моркови, что объясняется отсутствием внесения азотных удобрений.
Полученные результаты показывают, что внесение минеральных удобрений увеличивает эмиссию из почв, лишь тогда, когда в почве нет дефицита влаги и количество пор, занятых водой, находится на достаточно высоком уровне для создания анаэробных условий, благоприятных для протекания процесса денитрификации. Зачастую при выращивании сельскохозяйственной продукции не допускают того, чтобы влажность почв была на столь низком уровне, иначе это может повлиять на качество и количество урожая. Поэтому минеральные азотные удобрения при достаточной влагообеспеченности почв является существенным источником закиси азота.
Эмиссия NгО из серых лесных средиесуглинистых почв.
В почвах, отобранных для проведения лабораторного опыта, перед началом эксперимента содержание доступного азота составляло 10-43 мг N кг"1, а органического вещества — 24-26 г С кг"1. Почвы отличались по влажности, плотности сложения и показателю доли пор почвы, занятых водой (табл. 1). Наибольшая влажность пахотного горизонта на момент отбора была в варианте МБО, почвы варианта ГБО содержали на 1%, а почвы двух оставшихся вариантов на 2% меньше влаги.
Таблица 1. Свойства серой лесной почвы на участках с разными видами основной обработки почв перед отбором образцов почв с ненарушенным сложением для лабораторного эксперимента
Виды обработок Сод. доступных форм азота (М-М03Ч1Ч-МН4+) мг/кг Влажность % Плотность сложения, г/см3 Доля пор, занятых водой, %
0-8 см 8-12 см 0-8 см 8-12 см
ОВ 9+1.2 30.3 1.29 1.33 79.8 85.0
МБО 30+1.3 32.1 1.32 1.40 88.6 100
ГБО 40+3.5 31.4 1.16 1.31 67.3 85.3
КО 40±2.2 30.4 1.26 1.34 76.2 86.5
К концу эксперимента количество доступного азота в почвах вариантов без внесения азотного удобрения составляло от 50 до 60 мг N кг"1 почвы, а почвы вариантов с внесением азота содержали 90-120 мг N кг"1. Влажность почв на протяжении всего лабораторного эксперимента составляла в среднем 35-42%, и была несколько выше в варианте ОВ, чем в других вариантах эксперимента (рис. За). Показатель доли пор занятых водой был рассчитан для всех вариантов опыта и не опускался ниже 60% на протяжении всего эксперимента (рис. 36).
За 50 дней эксперимента достоверно наименьшими кумулятивными эмиссиями закиси азота из почв без внесения азотного удобрения характеризовались почвы двух
участков, на которых проводили безотвальную обработку. Кумулятивный поток закиси азота увеличился из почв всех вариантов опыта при внесении азота с минеральным удобрением. Наибольшее увеличение было отмечено в вариантах ОВ и МБО. В первом случае кумулятивный поток закиси азота за 50 дней эксперимента увеличился на 585 мг ЫгО-И м"2, а во втором — на 462 мг м"2. Для варианта ГБО и КО кумулятивная
эмиссия закиси азота из почв после внесения удобрения была выше на 223 и 218 мг ^О-И м'2 соответственно, по сравнению с вариантами без внесения азота.
Рис.3. Влажность почвенных образцов (а) и доля пор занятых водой (б) в почвенных образцах в ходе лабораторного эксперимента (Р<0.05). ОВ — ежегодная отвальная вспашка на глубину 20-22 см; МБО — ежегодная безотвальная обработка на глубину 68 см; ГБО — ежегодная безотвальная обработка на глубину 20-22 см; КО — комбинированная обработка на глубину 28-30 см. включающая безотвальную обработку на 6-8 см (в течение 4-х лет) и ярусную вспашку, проводимую 1 раз в 5 лет
после трав второго года
Как показывают результаты многих исследователей содержание более 10 мг доступного азота на 1 кг почвы (Бучкина 2008) достаточно для высоких эмиссий N^O, если значения других физико-химических свойств почв (а именно доли пор почвы, занятых водой и доступного углерода) является достаточным для развития процесса денитрификации. В нашем эксперименте по изучению влияния различных способов основной обработки почв на эмиссию закиси азота в начале лабораторного опыта почвы всех вариантов содержали больше 10 мг N кг"1 почвы доступного азота (даже те почвы, в которые минеральное азотсодержащее удобрение не вносили). Следовательно, различия в эмиссии закиси азота из почв в ходе опыта вряд ли объясняются содержанием в почве доступного азота.
а. б.
Рис.4. Кумулятивные потоки закиси азота из почв без внесения (а) и с внесением (б) минерального азота в ходе лабораторного эксперимента (Р<0.05). ОВ — ежегодная отвальная вспашка на глубину 20-22 см; МБО — ежегодная безотвальная обработка на глубину 6-8 см; ГБО — ежегодная безотвальная обработка на глубину 20-22 см; КО —
комбинированная обработка на глубину 28-30 см, включающая безотвальную обработку на 6-8 см (в течение 4-х лет) и ярусную вспашку, проводимую 1 раз в 5 лет
после трав второго года.
На наш взгляд в данном исследовании существенное влияние на эмиссию ЫгО оказала плотность сложения почвы, показатель, напрямую зависящий от способа обработки почвы. Почвы варианта с МБО имели наибольшую плотность сложения из всех изучаемых вариантов. Высокая плотность сложения в почвах этого варианта определяла и высокие значения доли пор почвы, занятых водой, (особенно в нижнем 4см слое) даже при условии, что влажность этих почв мало отличалась от влажности почв других вариантов опыта (табл. !). Это могло стать основной причиной высоких кумулятивных эмиссий закиси азота из почв данного варианта.
Обработка почв влияет не только на плотность сложения почв, но и на их агрегатный состав. В ряде работ по изучению влияния вспашки на содержание водопрочных агрегатов (Гончаров 2004, Балашов 2011) показывается, что длительная практика вспашки с оборотом пласта приводила к потерям большей части водопрочных агрегатов и к уменьшению содержания органического вещества в водопрочных агрегатах всех фракций. А также почвенные агрегаты с участков, где использовалась традиционная вспашка, во влажных условиях разрушаются в 10 раз быстрее, чем агрегаты из почв, где вспашка не применяется. Эти процессы делают почвы склонными к увеличению плотности сложения в ходе повторяющихся циклов набухания и усадки. В нашем лабораторном эксперименте почвы, отобранные на участках с применением отвальной вспашки, выделяли наибольшее количество закиси азота, несмотря на то, что
исходная плотность сложения этих почв, как уже упоминалось, существенно не отличалась от плотности сложения почв других вариантов опыта. Причиной высоких эмиссий закиси азота мог послужить распад агрегатов данной почвы в ходе проведения лабораторного эксперимента из-за периодического увлажнения (каждые 2-3 дня), которое проводилось с целью сохранения почвенной влаги на исходном уровне в течение всего эксперимента.
Как уже упоминалось, почвы способны накопить больше органического вещества, если их не обрабатывать с применением оборотной вспашки. Это во влажных условиях и на тяжелых по механическому составу почвах может приводить к увеличению эмиссии закиси азота или быть несущественным в сухом климате или на легких почвах. Для серых лесных среднесуглинистых почв Владимирской области наименьшие эмиссии закиси азота после внесения азотсодержащего удобрения были зафиксированы в вариантах с ГБО и КО. Можно предположить, что безотвальная вспашка на малую глубину не приводит к разрушению почвенной структуры, но ведет к снижению порозности почв. В то же время глубокая обработка или комбинированная вспашка поддерживают нижние слои пахотного горизонта почвы в более аэрированном состоянии, снижая их плотность сложения, что может снижать эмиссию закиси азота.
Полевые исследования по изучению прямой эмиссии N20 из тех же почв были проведены в 2009 г. Содержание доступного азота в почвах всех вариантов полевого опыта превышало 10 мг N кг"'. Температура почвы с мая по середину сентября не опускалась ниже 10°С, тем самым обеспечивая благоприятные условия для развития микроорганизмов, в том числе участвующих в процессах образования парниковых газов. Плотность сложения почв измеряли до и после посева (17 апреля и 8 мая), в фазу колошения (9 июля) и перед уборкой урожая (26 августа). Из рисунка 5 видно, что наименьшая плотность сложения была характерна для варианта ОВ, а наибольшая для контрольного варианта. Между ними по плотности сложения расположились варианты МБО, ГБО и КО.
Суточные эмиссии закиси азота изменялись от 1.3 г N-N20 га"' сут"1 до 16.5 г 14-N20 га"' сут"', и были максимальными в варианте ОВ.
Среднесуточные эмиссии закиси азота из серых лесных среднесуглинистых почв при выращивании овса с подсевом многолетних трав отличались в зависимости от используемой обработки почвы. Так, минимальные среднесуточные эмиссии наблюдались на контрольном участке (К), где обработка почв не проводились — 1.91 г N-N20 га"' сут"'. Из почв вариантов МБО и ГБО эмиссии в среднем за сутки составили 3.14 и 4.51 г N-N20 га"' сут"' соответственно. В варианте КО среднесуточные эмиссии
16
составили 3.6 г N-N20 га"' сут"'. Максимальные среднесуточные эмиссии были зафиксированы на участке ОВ — 7.22 г N-N20 га"' сут"'.
Рис. 5. Плотность сложения серых лесных среднесуглинистых почв на глубине 0-20 см в течение вегетационного сезона 2009 г. (Р<0.05). ОВ — ежегодная отвальная вспашка на глубину 20-22 см: МБО — ежегодная безотвальная обработка на глубину 6-8 см;
ГБО — ежегодная безотвальная обработка на глубину 20-22 см; КО — комбинированная обработка на глубину 28-30 см, включающая безотвальную обработку на 6-8 см (в течение 4-х лет) и ярусную вспашку, проводимую 1 раз в 5 лет после трав второго года; К — контрольный вариант
Кумулятивные потоки N20 за вегетационный сезон (рис. 6) были наименьшими в контрольном варианте (180 г N-N20 га"1), недостоверно различались в вариантах КО (300 г N-N20 га"1) и МБО (290 г N-N20 га"'), были равны 400 г N-N20 га"'в варианте ГБО и превышали 600 г N-N20 га"' в варианте ОВ. Вспашка с оборотом пласта (ОВ) привела к достоверно максимальной кумулятивной эмиссии закиси азота из серых лесных почв. Почвы с ГБО выделяли на 30%, а почвы с МБО и КО — на 55% меньше закиси азота, чем почвы с ОВ.
Рис. 6. Кумулятивные потоки N20 из серых лесных почв за вегетационный период 2009
г. (Р<0.05).0в — ежегодная отвальная вспашка на глубину 20-22 см; МБО — ежегодная безотвальная обработка на глубину 6-8 см; ГБО — ежегодная безотвальная обработка на глубину 20-22 см: КО — комбинированная обработка на глубину 28-30 см, включающая безотвальную обработку на 6-8 см (в течение 4-х лет) и ярусную вспашку, проводимую 1 раз в 5 лет после трав второго года; К — контрольный вариант
17
Таким образом, по результатам лабораторного и полевого опыта можно однозначно сказать, что применение в качестве основной обработки вспашки с оборотом пласта на серых лесных почвах приводит к большим потерям азота в виде закиси в сравнении с безотвальными видами обработки почвы. Для снижения эмиссии N10 из серых лесных почв можно рекомендовать комбинированную обработку, включающую безотвальную обработку на малую глубину с периодической ярусной вспашкой на глубину 28-30 см. Подобная обработка почв в ходе проведенных исследований характеризовалась наименьшими эмиссиями закиси азота, а при применении удобрений кумулятивная эмиссия ЫгО давала наименьший прирост в сравнении с вариантами без внесения минеральных удобрений. Эмиссия парниковых газов из органогенных почв.
До середины апреля, исследуемые заливные луга были затоплены водой, а начиная с конца апреля - начала мая уровень грунтовых вод на всех исследованных участках постепенно понижался (рис. 7а). Влажность торфяных почв всех вариантов опыта изменялась единообразно (рис. 76), а ее изменения определялись понижением или повышением уровня грунтовых вод, а также температурой почвы. Плотность сложения почв для вариантов 1, 2, 3 и Контроль составила, в среднем, 0.4, 0.5, 0.6 и 0.7 г см"3 соответственно.
Рис.7. Глубина залегания грунтовых вод (а) и влажность торфяных почв (б) в течение вегетационного периода 2008 г. (Р<0.05). Вариант 1 - Агрозем торфяный типичный (Ат - 5 см); Вариант 2 - Агрозем торфяный глееватый (Ат - 18 см); Вариант 3 - Агрозем торфяно-минеральный типичный (Ат - 24 см);Контроль - Агрозем торфяно-минеральный типичный (Ат - 15 см)
Эмиссия СО7 из органогенных почв
Исследованные участки достоверно отличались друг от друга по среднесуточным эмиссиям углекислого газа из почв. Для контрольного участка
среднесуточные эмиссии были минимальными и составили 61.5 кг С-СО2 га"' сут"'. Почвы варианта 1 выделяли 70.4 кг С-СОт га"1 сут"'. почвы варианта 3 — 88.9 кг С-СО2 га"' сут"' и почвы варианта 2 —126.9 кг С-С02 га"1 сут"1. Кумулятивный поток углекислого газа (рис. 8) за вегетационный сезон также был максимальный в варианте 2 (8537 кг С-ССЬ га"'), а минимальным в контрольном варианте (3565 кг С-ССЬ га"1).
9000 т -
аооо ■■■ —— —
7000 -----
% 6000 -------------------^Н-----
g5000 4-
gil
зооо------^^В----------^^В--------^^В---------Ш
ш Ш и ■
Вариант! Вариант 2 Вариант 3 Контроль
Рис.8. Кумулятивный поток углекислого газа из торфяных почв при выращивании многолетних трав за вегетационный период 2008 г. Вариант 1 - Агрозем торфяный типичный (Ат - 5 см); Вариант 2 - Агрозем торфяный глееватый (Ат - 18 см); Вариант 3 - Агрозем торфяно-минеральный типичный (Ат - 24 см); Контроль - Агрозем торфяно-минеральный типичный (Ат - 15 см)
Нами ожидалось обнаружить строгую обратную зависимость между уровнем грунтовых вод и эмиссией углекислого газа из исследуемых почв, т.к. с падением уровня грунтовых вод создаются благоприятные аэробные условия для минерализации органического вещества и высоких эмиссий СОг. Связь между уровнем грунтовых вод и эмиссией углекислого газа из почв составила Г=0.47 для контрольного варианта. Г=0.65 для варианта 1, Г=0.75 для варианта 3, однако она оказалась прямой — повышение уровня грунтовых вод приводило к увеличению эмиссии углекислого газа. Исключение составил вариант 2, где связи между эмиссией ССЬ и уровнем грунтовых вод обнаружено не было. И хотя окультуривание заболоченных торфяных почв и их осушение для нужд сельского хозяйства приводит к увеличению минерализации и усилению эмиссии углекислого газа, существуют исследования, где подобной связи не наблюдалось, например, в тропических климатических условиях Венесуэлы такой зависимости обнаружено не было (Санхуеза Е„ Сантана М. /994).
Эмиссия N7O из органогенных почв
Минимальные среднесуточные эмиссии N2O были зафиксированы в контрольном варианте и составили 57 г N-N20 га"' сут"1, а максимальные — в варианте
2 — 127 г N-N2O га'1 сут"'. Для вариантов 1 и 3 этот показатель составил 105 и 76 г N-N2O га"' сут'1 соответственно. Минимальным кумулятивным потоком N20 характеризовались почвы контрольного варианта (2.7 кг N-N2O га"'), 4.8 кг N-N20 га"1 выделилось из почв варианта 3, потери из почв варианта 1 составили 7.5 кг N-N20 га"' и максимальный кумулятивный поток закиси азота был зафиксирован в варианте 2 — 8.7 кг N-N20 га"' (рис.9).
s 7
О ;
i
■
2
Вариант! Вариант 2 Вариант 3 Контроль
Рис. 9. Кумулятивный поток закиси азота из торфяных почв при выращивании многолетних трав за вегетационный период 2008 г. Вариант 1 - Агрозем торфяный типичный (Ат - 5 см);Вариант 2 - Агрозем торфяный глееватьгй (Ат - 18 см);Вариант 3 - Агрозем торфяно-минеральный типичный (Ат - 24 см);Контроль - Агрозем торфяно-минеральный типичный (Ат - 15 см)
Таким образом, при внесении азота с удобрениями в торфяные почвы (вариант 1, 2 и 3) эмиссия закиси азота увеличилась почти в 2 раза. Этот результат не отличается от результатов других исследователей, изучавших влияние азотных удобрений на эмиссию закиси азота из почв. Азот, внесенный в почву с удобрениями, включается в микробиологические циклы нитрификации и денитрификации, увеличивая в конечном итоге количество выделяющейся в атмосферу закиси азота (Eichner 1990, Воитап A.F. 1994, Cole 1996). Проведенный еще вначале 1990-х гг. эксперимент А. Мойзера и А. Скимера с соавторами (1991) по изучению эмиссий ИгОи СН4 из природных, удобряемых и обрабатываемых лугов, показал, что из почв окультуренных лугов выделяется в атмосферу в 2-4 раза больше закиси азота, чем из почв диких пастбищ.
При одинаковых системах сельскохозяйственного использования эмиссия закиси азота оказалась различной для разных типов почв. Так кумулятивный поток закиси азота из почв вариантов 1 (агрозем торфяный типичный) и 2 (агрозем торфяный глееватый) оказался в 2-3 раза выше, чем кумулятивный поток N2O из почв варианта 3 (агрозем торфяно-минеральный типичный). Подобный результат приводит к выводу о
том, что более богатые органическим веществом почвы вариантов 1 и 2 являются большим источником эмиссии закиси азота в атмосферу.
Во всех вариантах опыта при повышении уровня грунтовых вод происходило увеличение эмиссии N20. Сильнее всего эмиссия закиси азота реагировала на изменение уровня грунтовых вод в варианте 1 (г2 = 0.787), далее в вариантах 2 и 3 (г2 = 0.415 и г2 = 0.467), и меньше всего данная зависимость проявила себя в контрольном варианте (г2 = 0.307). Высокая связь между эмиссией закиси азота и уровнем грунтовых вод наблюдалась в тех вариантах, где вносили минеральные удобрения. Как уже упоминалось, влажность почвы оказывает существенное влияние на потери азота в виде закиси при внесении азотных удобрений. Поднимаясь к поверхности, фунтовые воды заполняют почвенные поры, создавая тем самым анаэробные условия, благоприятные для протекания процесса денитрификации — основного источника закиси азота в почве.
Высокая корреляционная зависимость была обнаружена также между влажностью верхнего 10-см слоя почвы и эмиссией закиси азота из почв, особенно в вариантах 1 и 2 (г2 = 0.675 и г2 = 0.745), где верхний органогенный горизонт содержал меньше минеральной части и был более богат органическим веществом.
Эмиссия СИ4 из органогенных почв
Минимальные эмиссии метана наблюдались из почв контрольного варианта 4 (254 г С-СН4 га"1 сут"1). Близкими показателями среднесуточных эмиссий характеризовались почвы вариантов 1 (590 г С-СЬЦга"1 сут"1) и 3 (524 г С-СШга"1 сут"1). Наибольшие среднесуточные эмиссии метана были зафиксированы в варианте 2 - 800 г С-СН4 га"1 сут"1. Кумулятивный поток СН4 из почв контрольного участка за вегетационный сезон составил 22 кг С-СН4 га'1, из почв варианта 3 - 28 кг С-СН4 га"1, из почв варианта 1 - 39 кг С-С^га"1, а из почв варианта 2 - 43 кг С-СН4 га'1. Из рисунка 10 видно, что между вариантами 1 и 2 нет статистически достоверной разницы в кумулятивных потоках за вегетационный период 2008 г., а варианты 3 и Контроль, в свою очередь, также достоверно не различаются между собой. Однако между вариантами 1 и 2, и 3 и Контроль такая разница есть. Подобное различие можно объяснить тем, что почвы участков 3 и Контроль содержат больше минеральной части и, следовательно, имеют большую плотность сложения. Более высокая плотность почвы может являться причиной снижения газообмена между почвой и атмосферой. Таким образом, по причине снижения диффузии газов, эмиссия СН4 за вегетационный период 2008 г. могла быть меньше из почв вариантов 3 и контроль, чем из почв
21
вариантов 1 и 2. Подобный результат был получен исследователями из Финляндии. В статье посвященной результатом этого исследования М. Малянен (2004) с соавторами описывает разницу между эмиссиями метана из двух торфяных почв, на одной из которых было применено пескование. По результатам этого исследования эмиссия метана, при прочих равных условиях, была меньше именно из почв с более высокой плотностью сложения.
Рис. 10. Кумулятивный поток метана из торфяных почв при выращивании многолетних трав за вегетационный период 2008 г. Вариант 1 - Агрозем торфяный типичный (Ат - 5 см); Вариант 2 - Агрозем торфяный глееватый (Ат -18 см); Вариант 3 - Агрозем торфяно-минеральный типичный (Ат - 24 см);Контроль - Агрозем торфяно-минеральный типичный (Ат - 15 см)
Для всех вариантов опыта было характерно небольшое поглощение метана почвами. Сток СН4 не превышал 0.2 кг С-СН4 га"1 сут"1. Подобные низкие значения стока метана в окультуренных дренированных торфяниках являются типичными.
В торфяных почвах на эмиссию метана большое влияние оказывает температура. Так, к примеру, повышение температуры с 7 до 11 °С приводит к увеличению эмиссии метана в 2 раза. Полученные нами корреляционные зависимости между эмиссией СН4 и температурой почвы показывают, что для вариантов 1, 2 и 3 они были существенными и составили г2=0.391, 1^=0.349 и г=0.456 соответственно. Более слабая связь между этими параметрами наблюдалась в контрольном варианте. Видимо в этом случае на эмиссию метана влияли другие почвенные параметры, в частности более высокий уровень грунтовых вод в контрольном варианте мог способствовать процессам поглощения метана почвой и тем самым выделение метана в атмосферу уменьшалось.
При оценке потенциала глобального потепления (ПГП) за вегетационный период 2008 г. при использовании заливных лугов под сенокосы видно, что почвы фермерских хозяйств выделили почти в два раза больше парниковых газов в пересчете
на СОг, чем почвы контрольного варианта (рис. 11). Таким образом, осушение торфяных почв и использование их в сельскохозяйственной практике является существенным источником парниковых газов в сравнении с естественными биоценозами или не возделываемыми территориями. В ходе нашего исследования отчетливо видно, что ПГП сельскохозяйственных территорий оказался выше, в особенности на глееватых торфяных почвах (Вариант 2). Богатые азотом и органическим веществом почвы варианта 2 с мощностью торфяного горизонта 18 см, отличались более высокой влажностью (благодаря более высокому уровню грунтовых вод) и более благоприятным физико-химическими свойствами для образования парниковых газов, по сравнению с другими вариантами опыта.
16000 12000 S 8000
о
X 4000 2
о
i I ■
Jfc
Вариант!
Вариант 2
Вариант3
Контроль
Рис. 11. Кумулятивная эмиссия парниковых газов в пересчете на С-С02 за 2008 из торфяных почв при выращивании многолетних трав за вегетационный период 2008 г. Вариант 1 - Агрозем торфяный типичный (Ат - 5 см); Вариант 2 - Агрозем торфяный глееватый (Ат -18 см); Вариант 3 - Агрозем торфяно-минеральный типичный (Ат - 24 см);Контроль-Агрозем торфяно-минеральный типичный (Ат -15 см).
ВЫВОДЫ
1. Кумулятивная эмиссия закиси азота из дерново-подзолистых супесчаных почв разной степени окультуренности за вегетационные сезоны 2006 и 2007 гг. зависела от внесения в почву азотсодержащего минерального удобрения, выращиваемой культуры, осадков и плотности сложения почв;
2. Внесение минеральных азотных удобрений в почву при выращивании пропашных культур на дерново-подзолистых супесчаных почвах не привело к достоверному увеличению кумулятивной эмиссии закиси азота из почв. Внесение минеральных азотных удобрений в почву при выращивании культур сплошного сева достоверно увеличило эмиссию N20 из почв за вегетационные сезоны 2006 и 2007 гг. Такое влияние минеральных удобрений на эмиссию закиси азота определялось малым количеством осадков, повлиявшим на физические свойства почвы;
3. Без внесения минеральных удобрений кумулятивная эмиссия закиси азота из слабо окультуренной дерново-подзолистой супесчаной почвы была достоверно ниже, чем из хорошо окультуренной дерново-подзолистой супесчаной почвы в течение вегетационных сезонов 2006 и 2007 гг.;
4. Использование разных способов основной обработки почв (отвальной вспашки, мелкой безотвальной обработки, глубокой безотвальной обработки и комбинированной обработки, состоящей из мелкой безотвальной обработки и ярусной вспашки) привело к достоверным различиям в эмиссии закиси азота из серых лесных среднесуглинистых почв, а внесение в почву азотсодержащих минеральных удобрений приводило к достоверному увеличению эмиссии закиси азота из почв при использовании всех исследуемых способов основной обработки почв;
5. Применение вспашки с оборотом пласта на серых лесных среднесуглинистых почвах привело к наиболее высоким эмиссиям закиси азота из почв, в особенности при применении минеральных азотных удобрений. Для снижения эмиссии закиси азота из пахотных серых лесных среднесуглинистых почв целесообразно использовать комбинированную основную обработку почвы, включающую безотвальную обработку на глубину 6-8 см с периодической, 1 раз в 5 лет, ярусной вспашкой на глубину 28-30 см;
6. Использование заливных лугов в качестве сенокосов привело к достоверному увеличению эмиссии из почв углекислого газа, закиси азота и метана по сравнению с почвами естественных территорий;
7. Повышение уровня грунтовых вод достоверно увеличивало эмиссию N20 из торфяных почв, при этом корреляция между эмиссией закиси азота и уровнем грунтовых вод была выше в вариантах, где применялись азотсодержащие минеральные удобрения;
8. Достоверно меньшими кумулятивными потоками метана отличались торфяные почвы, органогенный горизонт которых был обогащен минеральной твердой фазой.
9. Использование заливных лугов под окультуренные сенокосы привело к увеличению эмиссии углекислого газа, закиси азота и метана, а также вызвало снижение стока метана. Суммарная эмиссия парниковых газов из почв окультуренных сенокосов в пересчете на углекислый газ за вегетационный период более чем в два раза превышала суммарную эмиссию парниковых газов из естественных угодий за тот же период;
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Е. Г. Rizhiya, Е. A. Olenchenko, S. V. Pavlik, Е. V. Balashov, N Р Buchkina. 2008. Effect of mineral fertilisers on crop yields and N;0 emission from a loamy-sand Spodosol of Northwestern Russia. // Cereal Research Communications. 2008.Vol. 36: 1299-1302. (Включен в систему цитирования Scopus).
2. Balashov E„ Horak J., Siska В., Buchkina N.. Rizhiya E., Pavlik S. N20 fluxes from agricultural soils in Slovakia and Russia - direct measurements and prediction using the DNDC model // Folia Oecologica, 2010, 37: 8-15. (Включен в систему цитирования Scopus).
3. Rizhiya E„ Zinczenko M„ Buchkina N„ Balashov E„ Pavlik S. Seasonal changes of chemical and biological parameters of loam Orthic Greyzems under different tillage treatments // Novenytermeles (Crop Production), 2010, 59 (Suppl. 1): 133-136. (Включен в систему цитирования Scopus).
4. Зинченко М.К, Бучкина Н.П., Рижия Е.Я., Павлик С.В., Зинченко B.C. Влияние приемов основной обработки почв на биологическую активность серых лесных почв Владимирского Ополья // Земледелие, 2011 г.. № 8, стр. 25 - 27.
Другие публикации
5. S.V. Pavlik, E.V. Balashov, E.Y. Rizhiya, N.P. Buchkina. Influence of soil physical properties on N2O emission from agricultural sandy loam spodosols // Proc. Int. Conf. "BioPhys2007" May 2007, Lublin, Poland, p. 45-46.
6. C.B. Павлик, E.B. Балашов, Е.Я. Рижия, Н.П. Бучкина. Эмиссия закиси азота из сельскохозяйственных почв в зависимости от окультуренности и агротехнической обработки // Материалы III Междунар. конф. «Эмиссия и сток парниковых газов на территории северной Евразии», июнь 2007 года, Пущино, с. 60-61.
7. Н.П. Бучкина, Е.В. Балашов, Е.Я. Рижия, С.В. Павлик. Эмиссия N2O из супесчаных дерново-подзолистых почв и её прогнозирование с помощью модели DNDC // Международная конференция «Современная агрофизика - высоким технологиям», 2527 сентября 2007 года, Санкт-Петербург, с.272-273.
8. Н.Д. Ваккеров-Коузова, Н.П. Бучкина, Е.Я. Рижия, С. В. Павлик.Влияние ингибитора нитрификации DMPP на микробный комплекс дерново-подзолистой почвы // Международная конференция «Современная агрофизика - высоким технологиям», 2527 сентября 2007 года, Санкт-Петербург, с. 88.
9. N. P. Buchkina, Е. У. Rizhiya, Е. V. Balashov, S. V. Pavlik. Influence of soil organic matter and nitrogen fertilizer on N2O emission from a loamy sand spodosol of North-Western region of Russia // Proceedings of Joint SAC/SEPA Biennial Conference "Land Management in a Changing Environment". 26-28 March 2008, Edinburgh, UK., p. 203-208.
10. Н.П. Бучкина, E.B. Балашов, Е.Я. Рижия, C.B. Павлик. Критические значения почвенных параметров, обусловливающих эмиссию закиси азота из дерново-подзолистых почв //Тезисы докладов Всероссийского Съезда Почвоведов, июль 2008, Ростов-на-Дону. стр. 141.
11. Е.Я. Рижия, Н.П. Бучкина, С.В. Павлик, Е.В. Балашов. Мониторинг эмиссии закиси азота из дерново-подзолистой супесчаной почвы Северо-западного региона РФ // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития», 25-27 ноября 2008 г., г. Киров, с.287-290.
12. Н.П. Бучкина, Е.В. Балашов, Е.Я. Рижия, С.В. Павлик. Мониторинг эмиссии закиси азота из сельскохозяйственных почв // Методические рекомендации. - СПб., 2008., 20 с.
13. Бучкина Н.П., Рижия Е. Я., Балашов Е. В., Павлик С. В., Оленченко Е. А. Влияние минеральных азотсодержащих удобрений на урожай сельскохозяйственных культур и эмиссию закиси азота из почв с разной степенью окультуренности // Труды
Всероссийской конференции с международным участием «Продукционный процесс растений: теория и практика эффективного и ресурсосберегающего управления», 1-3 июля 2009 года, ГНУ АФИ Россельхозакадемии, Санкт-Петербург, с. 319-321.
14. Бучкина Н. П., Балашов Е. В., Рижия Е. Я., Павлик С. В. Эмиссия закиси азота из сельскохозяйственных почв: измерение, факторы влияния и прогноз // Труды конференции «Методическое обеспечение мониторинга земель сельскохозяйственного назначения», 29-30 сентября 2009 года, Почвенный институт им. В. В. Докучаева, Москва, с. 257-260.
15. Рижия Е. Я., Лукин С. М., Шилова Н. А., Павлик С. В., Бучкина Н. П. Эмиссия закиси азота и углекислого газа из сельскохозяйственных почв дерново-подзолистых супесчаных почв Владимирской области при внесении органических и минеральных удобрений // Сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии использования органических удобрений», 2009 год, ГНУ ВНИПТИОУ, Владимир, с. 80-83.
16. Балашов Е. В., Бучкина Н. П., Рижия Е. Я., Павлик С. В. Прямые измерения и прогноз эмиссии закиси азота из почв с помощью модели DNDC // Тезисы совещания-семинара «Снижение отрицательного воздействия на окружающую среду химически активного азота при производстве сельскохозяйственной продукции» 10 декабря 2009 г., НИИ МЭСХ, Пушкин, с. 23.
17. Rizhiya Е., Buchkina N., Pavlik S., Balashov E. Moitoring of NjO emission from agricultural soils in St. Petersburg region of north-western Russia // Proceedings the international conference "Soil Degradation", 17-19 February 2009, Riga, Latvia, p. 70-73.
18. Buchkina N. P., Rizhiya E. Y., Pavlik S. V., Zinczenko V. S., Zinczenko S. I. N20 emission from loamy grey soil under different tillage in Vladimir region of Russia // Proceedings of the 18 Triennial ISTRO conference "Sustainable agriculture", June 15-19 2009, Izmir, Turkey, T6-003-1-T6-003-6.
19. Rizhiya E. K, Buchkina N. P., Olenczenko E. A., Pavlik S. V., Balashov E. V.Evaluating nitrous oxide emission from soils under vegetable crops in North-Western region of Russia // Proceedings of the 4lh symposium with international participation "Innovations in crop and vegetable production", 23-24 October 2009, Beograd, Serbia, p. 26-27.
20. Балашов E. В., Бучкина H. П., Рижия Е. Я., Павлик С. В. Прямые измерения и прогноз эмиссии закиси азота из почв с помощью модели DNDC // Материалы совещания-семинара «Снижение отрицательного воздействия на окружающую среду химически активного азота при производстве селькохозяйственной продукции», 10 декабря 2009 года, Санкт-Петербург, ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, 2010 г., с. 60-68.
21. Рижия Е. Я., Бучкина Н. П., Павлик С. В., Зинченко С. И. Влияние способов основной обработки серой лесной среднесуглинистой почвы на эмиссию закиси азота // Материалы совещания-семинара «Снижение отрицательного воздействия на окружающую среду химически активного азота при производстве селькохозяйственной продукции», 10 декабря 2009 года Санкт-Петербург, СПб, ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, 2010 г., с. 54-60.
22. Buchkina N.. Lukin S., Shilova N., Rizhiya E„ Pavlik S., Balashov E. Effect of mineral fertilizers and farmyard manure on N2O and CO2 emission from a loamy sand Spodosol of Vladimir region of Russia: direct measurements and modeling // Proceedings of the international conference "Bioklima2010", Prague, Czech Republic, 7-9 September 2010, p. 19-20.
23. Бучкина H. П., Рижия Е. Я., Павлик С. В., Зинченко М. К., Зинченко С. И. Влияние способа основной обработки почв на прямую эмиссию закиси азота // Материалы научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития АПК в Верхневолжье», 28-30 июня 2011 года, Суздаль, с. 147-153.
Отпечатано в ГНУ АФИ Россельхозакадемии 195220, Санкт-Петербург, Гражданский пр., д. 14. Тираж 100 экз.
Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата биологических наук, Павлик, Сергей Владимирович, Санкт-Петербург
61 12-3/1195
ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ АГРОФИЗИЧЕСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕНЫХ НАУК
На правах рукописи
Павлик Сергей Владимирович
Оценка эмиссии парниковых газов из сельскохозяйственных почв при использовании различных агротехнологий
Специальность 06.01.03 - агрофизика
Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Научный руководитель — кандидат биологических наук Бучкина Н.П.
Санкт-Петербург — 2012
Содержание
Введение.........................................................................................................4
Глава 1. Парниковые газы и их роль в формировании эффекта глобального потепления..........................................................................................6
1.1 Основные парниковые газы и их роль в глобальном изменении климата..................................................................................................................6
1.2 Источники закиси азота. Процессы азотного цикла в почве...........8
1.3 Факторы, оказывающие влияние на эмиссию парниковых газов.....................................................................................................................16
1.3.1 Содержание почвенной влаги.....................................................17
1.3.2 Влияние плотности сложения почвы.........................................18
1.3.3 Температура и тепловой режим почв........................................19
1.3.4 Кислотность почвы......................................................................20
1.3.5 Системы удобрения и эмиссия парниковых газов...................20
1.3.6 Влияние способов обработки почв............................................22
1.3.7 Российские исследования в области парниковых газов..........26
Глава 2. Объекты исследования.................................................................34
2.1. Дерново-подзолистые супесчаные почвы......................................34
2.2 Серые лесные среднесуглинистые почвы.......................................37
2.3 Органогенные почвы.........................................................................40
Глава 3. Методы исследования..................................................................44
Глава 4. Результаты и обсуждение............................................................48
4.1. Дерново-подзолистые супесчаные почвы Ленинградской области.................................................................................................................48
4.1.1 Погодные условия........................................................................48
4.1.2 Почвенные параметры.................................................................50
4.1.3 Эмиссия закиси азота из дерново-подзолистых почв..............55
4.2 Серые лесные среднесуглинистые почвы.......................................80
4.2.1 Лабораторный опыт. Почвенные параметры............................80
4.2.2 Лабораторный опыт. Эмиссия закиси азота..............................84
4.2.3Полевой опыт. Климат.................................................................88
4.2.4 Полевой опыт. Почвенные параметры......................................89
4.2.5 Полевой опыт. Эмиссия закиси азота........................................91
4.3 Органогенные почвы.........................................................................94
4.3.1 Климатические условия и почвенные параметры....................94
4.3.2 Эмиссия углекислого газа из органогенных почв....................97
4.3.3 Эмиссия закиси азота из органогенных почв..........................100
4.3.4 Эмиссия метана из органогенных почв...................................105
Выводы.......................................................................................................110
Список литературы...................................................................................112
Введение
В 2004 году Российской Федерацией был ратифицирован Киотский протокол. По условиям этого международного договора Россия взяла на себя обязательства по созданию национального кадастра выбросов парниковых газов и ежегодному представлению государственных докладов о динамике эмиссии парниковых газов в атмосферу [45].
Парниковые газы, к которым наряду с углекислым газом и метаном принадлежит закись азота, удерживают теплое инфракрасное излучение в атмосфере нашей планеты, согревая ее. Увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере, по мнению целого ряда ученых, приводит к увеличению количества удерживаемого тепла и созданию парникового эффекта.
Необходимость оценки эмиссии парниковых газов из сельскохозяйственных почв связана с важнейшей ролью, которую играют почвы в образовании этих газов (особенно М20 и С02). По разным оценкам от 25% до 40% парниковых газов имеют почвенное происхождение, что важно при рассмотрении ключевой позиции почвенного покрова в биосферном круговороте этих газов.
Целью данной работы было оценить эмиссию парниковых газов из сельскохозяйственных почв при использовании азотсодержащих минеральных удобрений и при применении различных видов основной обработки почв.
В задачи исследования входило: • Определить прямую эмиссию закиси азота из пахотных дерново-подзолистых супесчаных почв разной степени окультуренности при внесении минеральных удобрений;
• Определить влияние азотсодержащих минеральных удобрений на прямую эмиссию закиси азота из дерново-подзолистых супесчаных почв при выращивании пропашных культур и культур сплошного сева;
• Оценить влияние различных способов основной обработки почв на прямую эмиссию закиси азота из серых лесных среднесуглинистых почв;
• Определить влияние сельскохозяйственного использования заливных лугов на эмиссию парниковых газов.
Глава 1. Парниковые газы и их роль в формировании эффекта
глобального потепления
1.1 Основные парниковые газы и их роль в глобальном изменении климата
Опасения человечества, по поводу усиления на планете парникового эффекта, связаны с тем, что за последние 50 лет изменение климата стало особенно заметным. Учеными всего мира подтверждается факт, что с начала прошлого века средняя температура на Земле увеличилась на 0,6 ± 0,2°С [47], и большая доля в потеплении климата вызвана производственной деятельностью человека, в первую очередь выбросом газов, вызывающих парниковый эффект. Среди этих газов основную роль отводят трем: углекислый газ (С02), метан (СН4) и закись азота (М20) [74; 60]. Есть и другие соединения, входящие в группу парниковых газов,— это гидроф торуглероды (ГФУ), перфторуглероды (ПФУ) и гексафторидсеры (8Р6), но их вклад в глобальное потепление по сравнению с основной тройкой -незначительный. Все эти соединения называют парниковыми газами, поскольку именно они способствуют удержанию солнечной энергии (поступающей из космоса) в атмосфере нашей планеты, создавая тем самым своеобразный барьер, препятствующий возвращению тепла обратно в космос. Конечно, при отсутствии парниковых газов жизнь на нашей планете была бы невозможна, но на сегодняшний день их чрезмерное накопление в атмосфере становится столь же опасным, как и их отсутствие.
С парниковым эффектом человечество столкнулось не впервые. Этот процесс был описан французским ученым Фурье еще в начале XIX века: атмосфера пропускает коротковолновое солнечное излучение, но задерживает отраженную Землей длинноволновую тепловую энергию. В конце девятнадцатого столетия шведский ученый Аррениус изложил свою
теорию о том, что сжигание угля изменяет концентрацию С02 в атмосфере, что должно привести к потеплению. В 1957 — Международном геофизическом году — были обнародованы данные наблюдений, в которых уже отмечался значительный рост концентрации С02 в атмосфере нашей планеты.
Опасность выбросов парниковых газов состоит в том, что они достаточно долго "живут" в атмосфере и могут далеко перемещаться с потоками воздуха. В результате получается, что парниковый эффект не зависит от места конкретного выброса того или иного парникового газа. Фактически любой локальный выброс оказывает только глобальное действие, и уже глобальный эффект порождает вторичные эффекты, которые сказываются на климате того или иного места на планете. На этом принципе, в соответствии с Киотским протоколом, строится продажа квот на выброс парниковых газов.
Среди основных секторов антропогенного поступления парниковых газов в атмосферу можно назвать энергетику (сжигание топлива, энергетическая промышленность, транспорт и т.д.), промышленные процессы (продукция горнодобывающей промышленности, химическая промышленность, металлургия), использование растворителей, сельское хозяйство, а также переработка отходов.
Сельское хозяйство занимает среди названных источников четвертое место по количеству выбрасываемых в атмосферу парниковых газов [45]. Однако именно сельское хозяйство является основным источником эмиссии закиси азота (М20), третьего по значимости парникового газа.
Прямые эмиссии закиси азота из сельскохозяйственных почв мира в атмосферу по различным оценкам составляют 4.7 - 6.3 Т г N в год, что составляет от 25% до 40% от всего количества этого газа [76], которое поступает в атмосферу нашей планеты из разнообразных источников. Закись азота имеет высокую продолжительность жизни в атмосфере и способна
удерживать в 180 раз больше тепла, чем равное же количество углекислого газа (табл.1). В настоящее время принято считать, что вклад закиси азота в глобальное потепление климата, с учетом отепляющего потенциала, составляет 6% [88].
Таблица 1. Некоторые физико-химические характеристики основных
парниковых газов
Парниковый газ Концентрация в атмосфере Время жизни в атмосфере Отепляющий потенциал (относительно СО2 на моль вещества)
Углекислый газ 365 ррт* 230 1
Метан 1.745 ppb** 14.4 3.7
Закись азота 314 ppb** 160 180
*ррш - частей на миллион, **ppb - частей на миллиард
1.2 Источники закиси азота. Процессы азотного цикла в почве
Азот - один из главных биофильных элементов. Он входит в состав основных полимеров живой клетки — структурных белков и белков-ферментов, нуклеиновых и аденозинфосфорных кислот. Его превращения в биосфере определяют работу главного звена биологического цикла — образование первичной растительной продукции.
Большие запасы азота представлены на нашей планете его восстановленными и окисленными газообразными формами (N2, МН3, Ы20, N0, N02), которые входят в состав атмосферы Земли и содержатся в почвенном воздухе. Наибольшую часть атмосферных газов составляет молекулярный азот - 78.09% по объему или 75.51% по массе [1].
В состав гумуса и биомассу микроорганизмов, содержащихся в почве, входит в три раза больше иммобилизованного азота, чем в растения и животных вместе взятых. При этом азот в почве часто бывает в первом
минимуме с точки зрения обеспечения питания растений, так как основная масса почвенного азота заключена в недоступных растениям сложных органических соединениях, которые минерализуются очень медленно. Это обстоятельство приводит к необходимости подкармливать растения вносимыми в почву азотными удобрениями.
Из почвы происходит постоянный вынос азота с урожаем, превышающий 100 млн. т в год. Производство минеральных азотных удобрений, исчисляемое 60-70 млн. т в год (по азоту), требует больших энергетических затрат, которые составляют в ряде развитых стран 40% и более от общего объема энергопотребления в сельском хозяйстве. В тоже время коэффициент их потребления растениями не превышает 50% [4]. Следовательно, при широком применении минеральных азотных удобрений большое количество азотных удобрений не включается в урожай и избытки его вызывают загрязнения отдельных элементов экосистем и биосферы в целом, что неминуемо приводит к негативным последствиям. Таким образом, проблема азота превратилась в глобальную социальную проблему. Поэтому, в связи с интенсивным вмешательством в цикл азота, человечество должно начать решать важнейшие задачи: снижение энергетических затрат на минеральные удобрения, охрана природной среды, разработка оптимизированных режимов для почвы с целью получения высоких урожаев без снижения потенциального плодородия из-за потерь гумуса, создание новых способов контроля и управления биологическим азотом.
Круговорот азота в природе можно разбить на несколько основных звеньев, в которых главными агентами выступают микроорганизмы (рис. 1).
Рис. 1. Цикл азота [4]
Азот в этом цикле участвует в газообразной форме, в виде минеральных и органических соединений. При фиксации азота микроорганизмами происходит его восстановление; разложение органических азотсодержащих соединений (аммонификация) приводит к освобождению азота в форме аммиака, который далее последовательно окисляется до нитритов и нитратов (нитрификация). Окисленный азот вновь восстанавливается до N2 в процессе денитрификации. Аммонийные и нитратные формы соединений азота ассимилируются растениями и микроорганизмами, что приводит к временному закреплению азота в органических веществах, его иммобилизации в микробной биомассе.
Поскольку газообразные потери азота в форме М20 происходят в ходе процессов, как нитрификации, так и денитрификации, рассмотрим эти звенья круговорота азота более подробно.
Нитрификация - это превращение аммония в нитрат. Часть аммиачного азота, образовавшегося в результате процесса аммонификации, окисляется в нитраты. Именно в этой форме азот преимущественно используется
большинством высших растений. В этой же форме он подвергается значительным потерям из почвы — вымывается в грунтовые воды и денитрифицируется. Нитрификация проходит в две стадии. Первая стадия нитрификации — окисление аммония в нитриты — отличается наибольшей сложностью и проходит с образованием не менее двух промежуточных продуктов. Ее осуществляют бактерии родов Nitrozamonas, Nitrozococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus, Nitrozovibrio. Вторая фаза представляет собой окисление нитритов в нитраты, осуществляемое нитратными бактериями — Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus, и в результате образующаяся азотная кислота подкисляет почву.
По современным представлениям процесс нитрификации можно представить в виде следующей схемы [31].
n2o n2o n2o t T t
NH3 NH2OH-+[HNO] -^NO2" NO3 , где аммиак вначале окисляется до гидроксиламина (NH2OH), и потом
О ^
до нитрита (N0 ) и нитрата (N0 ), с образованием промежуточного продукта гидроксила ([ГОЮ]).При больших концентрациях гидроксиламина Nitrosamines превращает до 90% окисляемого азота в N20 (побочный продукт процесса нитрификации), что является основной причиной газообразных потерь азота.
Нитрифицирующие бактерии развиваются при рН 7.5-8.0 [31]. Температурные границы существования нитрифицирующих бактерий изучены недостаточно. Хотя оптимум их развития составляет 25-30°С, однако установлено наличие процесса нитрификации в почве при температуре близкой к замерзанию. Наиболее высокими температурами, отмеченными для этого процесса, являются 50-60°С [28].
Значительное влияние на интенсивность нитрификации оказывает концентрация кислорода. При этом замечено, что нитрат окисляющие бактерии более чувствительны к пониженному содержанию кислорода, чем аммоний окисляющие. Данные группы микроорганизмов имеют обратную зависимость по отношению к легкодоступному органическому веществу [28].
При нейтральной реакции среды, оптимальной температуре и достаточной аэрации скорость нитрификации аммония может достигать 1020 кг N га"1.
В лабораторных опытах Л.Б. Сироты с соавторами [43] было показано, что на почвах с высокой нитрифицирующей способностью газообразные потери азота удобрений выше из восстановленных форм, чем из окисленных, и составляют 10% от внесенной дозы сульфата аммония. В.В.Кидиным с соавторами [13] приводится цифра потерь азота из внесенных удобрений в виде N20 от 3,4 до 6,2%.
В почвах процессы аммонификации и нитрификации тесно связаны. Любые, неблагоприятно отражающиеся на образовании КН3> условия (слишком широкое соотношение С:Ы в почве, например) задерживают нитрификацию. При = 11 нитрификация протекает нормально, а при = 13-15 она происходит слабо [43]. В дерново-подзолистых почвах может накапливаться до 200-300 кг N03" га"1.
Денитрификация замыкает азотный цикл в почве. Это восстановление нитрата через нитрит до газообразной закиси азота (N20) и азота (N2). Денитрификация — одна из основных причин потерь азота из почвы, вызванных деятельностью микроорганизмов. В результате денитрификации потери азота, по данным разных авторов, составляют от 15-20% до 50% [39]. По литературным данным потери азота удобрений вследствие процесса денитрификации варьируют от 1% до 75% от внесенного количества. Наиболее часто приводятся величины газообразных потерь азота - 15-25%.
С микробиологической точки зрения, процесс денитрификации представляет собой окисление органического (или неорганического) субстрата с помощью нитрата или нитрита. Которые являются акцепторами электронов в окислительно-восстановительных реакциях с образованием промежуточных и конечных продуктов восстановления, не входящих в состав клеток микроорганизмов [29,6,11,46,17]. Для наглядного пояснения последовательности восстановления нитратов в ходе процесса денитрификации можно привести следующую схему:
NO N20
т т
N03" N02 —» NO —> N20 N2
С 1980 г. во ВНИИ Сельскохозяйственной Микробиологии P.C. Кутузовой проводились глубокие исследования по изучению роли нитрат редуцирующих микроорганизмов и денитрификаторов в газообразных потерях азота в дерново-подзолистых почвах разной степени окультуренности [20, 21, 22, 23]. Ею показано, что соотношение между денитрификаторами, общим числом нитратредуцентов и всей суммо
-
Павлик, Сергей Владимирович
-
кандидата биологических наук
-
Санкт-Петербург, 2012
-
ВАК 06.01.03
- Оценка динамики углерода при лесозаготовке и лесопереработке в России
- Интегральный алгоритм экологической оценки эмиссии парниковых газов при производстве мясной продукции в условиях Центрального региона России
- Атмосферная эмиссия парниковых газов от нефтегазового сектора России
- Разработка способов сокращения выбросов парниковых газов на территории промышленного региона
- Эмиссия и поглощение парниковых газов антропогенного происхождения лесами России
