Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Превращение азота органических и минеральных удобрений в дерново-подзолистых почвах и потери элементов с инфильтрационными водами

ВАК РФ 06.01.04, Агрохимия

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата биологических наук, Никифорова, Марина Викторовна, Москва

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

ВСЕРОССИЙСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ УДОБРЕНИЙ И АГРОПОЧВОВВДЕНШ

ИМЕНИ Д.Н. ПРЯНИШНИКОВА

Никифорова Марина Викторовна

УДК л

Нревращешш азота органических и минеральных удобрений в дерново-подзолистых почвах и потери элементов с инфильтрационнши водами

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Специальность 06.01.04 - агрохимия

Научные руководители: кандидат сельскохозяйственных наук Н.М. Варюшкина,

доктор сельскохозяйственных наук, профессор И.А. Шильннков

Москва 1998

СОДЕ Р I А Н И Е

Стр.

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

2*1, Превращение азота удобрений в почве

2.1.1. Мобилизация, иммобилизация и минерализация

азота внесенных удобрений........................7

2.1.2. Фиксация А/и А/Щ глинистыми минералами.....16

2.1.3. Химическое связывание Д/Н4+ и Д/И^ органическим веществом почвы..................................17

2.1.4. Превращение азота разных видов органических удобрений в почвах................................18

2.1.5. Использование растениями азота минеральных удобрений и природного азота почвы...............28

2.2. Потери элементов питания из дерново-подзолистыX почв

2.2.1. Потери соединений азота в агрогеохимическом

цикле за счет вертикальной миграции атмосферных

осадков и способы их сокращения..................32

2*2.2. Потери кальция и магния за счет инфильтрации.....39

2.2.3. Потери калия с вымыванием........................4-0

2.2.4. Потери фосфора с промывными водами...............42

3. ЭКСПЕРЕМЕНГАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1. Условия и методика проведения исследований.........44

3.1.1. Место и условия проведения опытов................44

3.1.2. Методы исследований..............................48

3.1.3. Погодно-климатические условия....................49

............Стр,

3.2. Расходные статьи азота минеральных и органических удобрений

3.2*1. Коэффициенты использования растениями азота навоза и минерального удобрения в прямом действии и последействии...........................50

3.2.2. Распределение азота бесподстилочного навоза и сульфата аммония во фракциях органических соединений почвы в действии и последействии..56

3.3. Трансформация азота разных видов органических и минеральных удобрений в дерново-подзолистых почвах за севооборот /лизиметрический опыт /* • * » « •

3.3.1. Превращение в почвах меченого минерального азота бесподстилочного навоза и его жидкой фракции.........................................66

3.3.2. Использование азота почвы и удобрений культурами севооборота в действии и последействии.....69

3.3.3. Потери азота и других элементов питания из дерново-подзолистых почв различного гранулометрического состава............................83

4. ВЫВОДЫ..................................................105

5. ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ................................107

6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................108

7. ПРИЛОЖЕНИЕ..............................................141

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе развития агрохимической науки необходим комплексный подход в изучении взаимодействия удобрений с почвой и растениями. Оценка эффективности удобрений должна даваться не только с точки зрения агрономической и экономической, но и экологической. Рассматривая вопросы экологии применения азотных удобрений необходимо изучать процессы трансформации азота в агросистеме , стремиться к исключению потерь азота, приводящему к загрязнению среды минеральными его формами, добиваться лучшего использования азота удобрения растениями без снижения почвенного плодо-

Антропогенное воздействие на круговорот азота при нарушении научно-обоснованной системы удобрения сельскохозяйственных культур резко возрастает, так как связано с процессами превращения азотистых веществ и энергии в экосистемах. Прежде всего эти процессы влияют на качество урожая, увеличение потерь с вымыванием и газообразными продуктами в виде /1/Н^, Л/^. Размеры потерь азота с осадками по стране составляют 11,8 млн.тонн в год, из них 3,1 млн.тонн вымывается с грунтовыми водами и 8,7 млн.тонн с поверхностным стоком / Кудеяров В.Н., Башкин В.Н., 1982 /. По данным исследовании с из вносим ах удобрений 15-30 % теряется в виде газообразных продуктов.

При внесении органических и минеральных азотных удобрений в почву возникают различные негативные процессы: увеличение накопления нитратов и нитритов в почве, их вымывание в грунтовые воды и питьевые источники, миграция за пределы биологических циклов, повышение концентрации нитратов и нитритов в сельскохозяйственной продукции / Кудеяров В.Н. и др., 1986; Кореньков Д.А., 1990; Ки-

рюшин В.И. я др., 1986; ЗукиМ^А, , 1988 /. Наиболее опасными являются высокоподвижные нитраты, нитриты и нитрозамины, попадающие в организм человека с пищей и водой в концентрациях, выше допустимых норм. Эти соединения являются канцерогенами и мутагенами для теплокровных животных. Лаже ничтожно малое жх количество /более 0,002 мг/кг зерна / является опасными мя человека. Эти вещества широко распространены в объектах окружающей среды / воздухе, воде, пищевых продуктах, почве, промышленных изделиях и т.д.// Посмитная Л.В., 1990 /.

С применением установлено, что при внесении органичес-, ких и минеральных удобрений возрастает уровень подвижных форм азота в почве за счет не только внесенного азота, но ж в результате положительного воздействия удобрений на процессы минерализации природных азотосодержащих соединений. При этом возникает эффект добавочной минерализации соединений азота в почве и инфильтраци-онных водах, что повышает опасность загрязнения сопряженных объектов агроландшафта / Кореньков Д.А.» Руделев Е.В., 1984; Кудеяров В.В. и др., 1985 и др. /.

В условиях промывного водного режима дерново-подзолистых почв России происходят значительные потери основных элементов питания: Оа, М^, К, Р, N. Поэтому актуальной экологической проблемой является разработка мероприятий по снижению потерь этих элементов, повышение за счет этого эффективности удобрений и защита экосистем от загрязнения.

После уборки урожая сельскохозяйственных культур ускоряются все почвенные процессы, приводящие к загрязнению окружающей среды. Представляло интерес изучить направленность этих процессов при осеннем внесении в почву органических удобрений с различным отношением в них СгД/ с экологической точки зрения. Трансформация

азота этих удобрений изучалась в динашке за годов®! цикл превращения @ учетом вымывания за пределы корнеобнтаемого слоя / 0-80 ей А

Дяя исследования неизученных проблем превращения азота удобрений в почве предусматривалось решить следующие задачиг

1♦ Изучить влияние грануяометричеокого состава почв, внесения минеральных и органических удобрений ж® урожай и вынос азота шчвм и удобрений культурам, на степень

ных осадков и концентрацию элементов питания в жромывных водах

цикл в системе севооборота;

юг© азота,

соломы

2. Установить размеры штерь кальция, магния, калия и фосфора с различными культурами севооборота и на снижение вымьвания азота;

3. Изучить интенсивность снижения содержания меченого минерального азота бвсподетилочного навоза и его жидкой фракции в дерново-иодзолистых почвах за осенний и весенний периоды.

4. Вшснить размеры включения азота бесшдстилочного навоза и минерального азотного удобрения в различии® фракции органического вещества жочвы ж степень подвижности остаточного азота этих удобрений но сравнению с жриродным азотом почвы / с применением

15/И А ...... .....

5. Определить количественное соотношение вносимого азота удобрений и природного азота шчвм в нитании растений и

водах / си;

15

7У А

/

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 2.1. Превращение азота удобрений в почве 2.1.1. Мобилизация, иммобилизация и минерализация азота внесенных удобрений На начальном этапе развития агрохимии вопросы превращения

л к . ,

азотных удобрений изучались без использования изотопа А/ в качестве метки, что не давало действительных коэффициентов использования /метод разности /. В последние двадцать лет для изучения этих вопросов использовался изотоп азота однако

работ с мечеными органическими удобрениями до настоящего времени проведен© очень мал© /Сапожников 1.А., Ливанова Т.К. ».1:972; Варюшкина 1.М. и др.,1974, 1976; Смирнов П.М., Кидин В.В..Якимова ИЛС. ,1980,1982; /дагсАе /¿V 1970 /.

Превращение азота внесенных удобрений обусловлено общим циклом биологических, биохимических и физикохимических процессов биоценоза. Внесенный азот удобрения закрепляется в органической части почвы /иммобилизация/, подвергается минерализации, теряется в газообразной форме, вымывается из пахотного горизонта с промывными водами. Одновременно с этими процессами усиливается минерализация азотистых соединений самой почвы /мобилизация/, а следовательно, теряется почвенный азот /Андреева Е.А., Щеглова Г.М.,1966; Замятина В.Б.,1970; Смирнов П.М.»1970; Сирота Л.Б.,1973; Макаров Б.Н.,1994; МиМл. 1993/, Существует два аспекта применения азотных удобрений в сельском хозяйстве. Первый - это позитивные факторы: питание растений, повышение почвенного плодородия, возрастание урожайности культур. Второй - негативные факторы: увеличение всех видов потерь азота, образование излишних количеств в почве неиспользованного растениями азота и дополнительно минерализованного азо-

та в почве.

При внесении органических шеи минеральных удобрений» а также при минерализации ранее иммобилизованного азота происходят процессы закрепления минерального азота в результате следующих процессов: биологического закрепления /собственно иммобилизации/ аммонийного и нитратного азота; химического связывания И/Н4+ и Д/Нд почвенным органическим веществом; фиксаций и А/Еq

глинистыми минералами.

Основная роль в закреплении аммонийного и нитратного азота в почвах принадлежит биологической иммобилизации, которая происходит в результате закрепления почвенной микрофлорой азота удобрений. После отмирания микрофлоры, в процессе разложения и гумификации» часть связанного в микробном белке азота включается в состав новообразующихся гумусовых веществ / Тарвис Т..В.t 1:973; Сирота Л.Б.» Якоби Л.М.» 1979; Сапожников H.A., 1980 А С экологической точки зрения иммобилизация - это процесс, включающий в себя временное отчуждение части азота из сферы питания растений» что частично сокращает потери азота вносимых удобрений / Куцеяров ВЛь, 1985» 1986 /. В микробной биомассе дерново-подзолистых. почв содержится примерно 125 кг/га азота.

Размер и скорость иммобилизации зависит от количества легкодоступных микроорганизмам органических веществ в почве и от их состава, то есть отношения С:Д/ / Рудалев Е.В., 1982; Анд-роханов В.А., 1993; K<Jl<vt <?£л/ , 1989 /.

Чем больше в почве бедных азотом, но богатых клетчаткой органических материалов, тем сильнее выражено биологическое закрепление минеральных соединений азота удобрений и почвы, тем резче дефицит усвояемого азота для растений. Так при компостировании крем-

иезема и желтозема с К^Д/О^» иммобилизация за три месяца составляла для рисовой соломы 100 и 80 % соответственно почвам, а с корой деревьев и жом степень иммобилизации бьша незначительна» так как они устойчивы к микробиологическому разложению / » 1979 /. В парующейся почве иммобилизация аммоний-

ного и нитратного азота происходит за счет почвенного гумуса / Смирнов П.М., 1977 /.

Размеры иммобилизации зависят от типа почвы, формы и дозы азотных удобрений» биологических особенностей культуры» рН, температуры» влажности, аэрации почвы» ее микробиологической активности и, по данным разных авторов» колеблются от 7 до 60 % / пар, под растениями /, но чаще составляют 20-40/» / Смирнов ЩМ., 1977; Варюшкина Я.М.» 1980; Кореньков Д. А., Рудедев Е.В., 1984; Кудеяров В.К., 1985; Филипас Н.А., 1985\ ^,, (т^вл , , 1984; ,1986 Д

Иммобилизация протекает в первые 2-3 недели после внесения удобрений преимущественно в пахотном слое почв, в подпахотном -закрепляется значительно меньше азота удобрений / Замятина В.Б., Варюшкина Н*М,, Кирпанева Л. И., Поршнева В,И., 1972 /.

1 я

Уже в первые 12 часов после внесения удобрений закрепление А/м в минеральных почвах составляет 2-3 а в органических почвах -9 - 10 % от внесенных количеств / Ок&*иькл Ы^ ¿{£«¿.4 ¿С 985/. Закрепление азота в дерново-подзолистых почвах под травами в слое 0 - 20 см составляет 16,3 - 21,4 % от дозы азота; в слое 20-40 ом - не превышает 1,5$ / Кореньков д.А.» Рудедев Е.В., Филимонов Д.А», 1980 /. ймшбшшзация внесенных удобрений происходит в течение дней и недель , в то время как минерализация этих соединений может продолжаться в течение многих лет / Ооп к Л, 1979 5 £.2)., Я , 1990 /.

Количество закрепленного азота в почвах с высоким содержанием гумуса всегда вше, чем в малогумусных. С повышением дозы азота

'.•■ возрастает абсолютное количество иммобилизованного азота почвой, но относительное - / % от внесенного / обычно снижается / Шабаев В.Д., Саидов И.Н., Кудеяров В.Н., 1985 /.

Особенно благоприятные условия для биологического закрепления азота создаются при совместном внесении минерального и органического азота / Кононова М.М., Александрова И.В., 1973; Тарвис Т. В., 1973 и др./. Отмечена положительная корреляционная связь количества иммобилизованного азота с содержанием органического ..... вещества в почвах, и отрицательная связь с величиной рН и ее емкостью поглощения»

Иммобилизация и мобилизация азота взаимосвязаны: в результат те постоянно идущих процессов превращения азота в почве размеры закрепленного азота изменяются в результате питания выращиваемых культур, причем доступность его растениям из года в год уменьшается / Кореньков Д.А., Лаврова И.А., 19 ЗД Варюшкина Н.М. и др., 1981, 1982, 1987; Смирнов П.М., 1977;&г^Рои^/^у 1985 /.

Закрепленный в микробной плазме азот удобрений частично подвергается гумификации, а частично минерализуется. Скорость его минерализации значительно выше, чем скорость превращения природ-

< к

ных соединений почвы. Так, в опытах с /У, за вегетационный период растения использовали 10 % "плазменного" азота биомассы дрожжей, а за два месяца минерализовалось 27-30 % от общего азота биомассы бактерий / Филипас Н.А.,1985 /.

По данным вегетационных и полевых опытов, использование растениями иммобилизованного азота в первый год последействия

составляет 2-3 % от внесенного ж 5-10 % от закрепившегося в почве в год внесения. На второй год последействия - вдвое меньше: 1 - 1,5 % от внесенного и 3- 6 % от закрепившегося. В третий и последующие годы степень использования растениями ранее иммобилизованного азота в результате процессов гумификации уменьшается» различие в доступности остаточного азота удобрений и почвенного азота сглаживается / Руделев Е.В., 1992; Лаврова й.А.,Бу-дажапов Л,3.,1988; Смирнов П.М., 197? /.

За два года последействия общая $бжь иммобилизованного азота в почве составлета 25-35 % от остаточного количества, а за ротацию севооборота использовалось до половины ранее иммобилизованного азота. Растениями усваивалось 25-49 % от общей убыли иммобилизованного азота» остальная его часть теряется из почвы / Смирнов П.М.» 1977/.

При 10-ти летнем внесении минеральных удобрений установлено, что за счет азота удобрений и растительных остатков, компенсируется половина природного азота почвы, расходуемого на питание растений и потери с инфильтрацией на дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве и 1/3- на супесчаной / Варюшкина Н.М., Кирпанева Л.И., 1984 /.

Иммобилизованный азот удобрений в год внесения существенно отличается от азота почвн по своему составу. Показано, что 66 % азота, внесенного с/15/^/^ Яй^ вшт найдено во фракции аминокислот и аминосахаров / Обо} 1бЫаА1л4л, ,1981 /. В дерново-подзолистых почвах, независимо от гранулометрического состава, основная часть иммобилизованного азота определяется в легкогидро-лизуемой части гуминовых кислот. Меньшее превращение происходит в негидролизуемом остатке и трудногидролизуемых соединениях / Смирнов П.М., 1977;- Варюшкина Н.М.,1980; Руделев., 1980;/»

В опытах 1.И. Шшшной / 1989 г./ на типичном черноземе под озимой пшенице! закреплялось ^Л/Н^ $ 04 в первый год опыта: 2 $ в минеральных формах азота; 13 % - во фракциях легко- и труд-когидролизуемого азота и 29 % - в негидролизуемой фракции. При безотвальной обработке почвы по сравнению со вспашкой происходит увеличение расхода почвенного азота: переход его в наиболее стойкие фракции азота снижается вдвое.

При внесении минеральных удобрений закрепление азота в органическом веществе почвы происходит в основном в минеральной и легкогидролизуемой фракции /Муртазина С.Г. и др.,1992 /. При внесении органических удобрений /подстилочного навоза, соломы, жидкого навоза, пожнивно-корневых остатков / наибольшую долю в распределении по фракциям различной минерализуемости составляет устойчивая фракция / ,1990 /. Углерод и азот легкой фракции органического вещества минерализуется быстрее таковых тяжелой фракции / М, &,, Рсфпсь кЛХ< 992 /.

Фракционный состав органического вещества почв зависит от свойств самой почвы: в почвах болотно-подзолистого типа, не подвергавшихся осушению, большую часть форм азотных соединений составляют негидролизуемые и трудногидролизуемые формы азотных соединени�