Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

РАЗМЕР И СОСТАВ ГАЗООБРАЗНЫХ ПОТЕРЬ АЗОТА ПОЧВЫ И УДОБРЕНИЙ В РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ

ВАК РФ 06.01.04, Агрохимия

Автореферат диссертации по теме "РАЗМЕР И СОСТАВ ГАЗООБРАЗНЫХ ПОТЕРЬ АЗОТА ПОЧВЫ И УДОБРЕНИЙ В РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ"

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА СССР

МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени К. А. ТИМИРЯЗЕВА

I I СЕЛЬСКОХОЗЯЙ

#даг

На правах рукописи ТОРШИН Сергей Порфирьевич

РАЗМЕР И СОСТАВ ГАЗООБРАЗНЫХ ПОТЕРЬ АЗОТА ПОЧВЫ И УДОБРЕНИЙ В РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ

Специальность: 06.01.04 — агрохимия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА -1982

Диссертация выполнена на кафедре агрономической и биологической химии Московской ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева.

Научный руководитель — доктор сельскохозяйственных наук, профессор П. М. Смирнов.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, старший научный сотрудник Е. X. Ремпе, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник Б. Н. Макаров.

Ведущее'предприятие—Институт агрохимии и почвоведения АН СССР г. Пущино на Оке.

Защита диссертации состоится « * > АЧЧл1*. . . . . 1982 г. в «13л час на заседании Специализированного совета Д-120.35.02 при Московской сельскохозяйственной академии им..К. А. Тимирязева.

Адрес:. 127550, г. Москва, И-550, ул. Тимирязевская, 49. Ученый совет ТСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА.

Автореферат разослан «ДП . Ы+кл-Ь*. . . . 1982 г.

Ученый секретарь Специализированного совета —♦* кандидат биологических наук,

доцент €:4<Ь„ л /

\ .Л,Т-ЛЛ. А. ДОРОЖКИ НА.

Актуальность проблемы. В материалах XXVI съезда КПСС подчеркнуто, что необходимо добиться динамичного подъема всех отраслей сельского хозяйства на базе его интенсификации, в том числе широкой химизации. На большинстве типов почв, особенно на бедных гумусом и азотом дерново-подзолистых почвах, азотные удобрения играют наиболее важную роль в повышении урожаев сельскохозяйственных культур. Несмотря на возрастающие темпы производства азотных удобрений, баланс азота в земледелии СССР до настоящего времени остается очень напряженным. Поэтому исследования, направленные на разработку путей более эффективного использования азота удобрений, снижения его потерь имеют очень важное значение.

Потери азота из почвы в газообразной форме являются основной причиной снижения коэффициентов использования и эффективности азотных удобрений. В зависимости от условий их применения размеры потерь азота удобрений в виде газообразных азотистых соединений могут варьировать в широких пределах (от 10 до 60%), составляя в среднем 20—30% от внесенного (Кореньков, 1976; Смирнов, 1970, 1977; Jansson, 1955; Broadbent, 1965), что причиняет огромный ущерб народному хозяйству. Кроме того, в газообразной форме может теряться азот самой почвы.

Газообразные потери азота из почвы в форме N2; N2O; NO и NO2 вызваны в основном диссимиляторным восстановлением нитратов денитрифицирующими микроорганизмами, многообразие которых позволяет осуществлять этот процесс в широких пределах аэрации, температуры, рН и других условий. Вместе с тем азот может теряться из почв в результате химических реакций при разложении промежуточных продуктов нитрификации в почве, таких, как HN02 и NH2OH.

Газообразные азотистые соединения — закись, окись и двуокись азота, образующиеся в результате биологической и химической редукции нитратов, могут представлять серьезную экологическую проблему, так как установлено их прямое участие в разрушении озонового слоя стратосферы в результате окисления N.,0 и NO озоном, что может привести к сущест-

Центр, ванная Шатт 1

Коек. орд. Яовшя CBJHOI. 131Д. is. ЙдА. JaasjttHj

венному увеличению проникновения на земную поверхность губительного для всего живого ультрафиолетового солнечного излучения (Johnston, 1974; McElroy et. al., 1977).

В связи с этим изучение отдельных факторов, влияющих на размер и состав газообразных потерь азота из почв, а также изыскание путей снижения потерь азота в газообразной форме и уменьшения содержания окислов азота в их составе являются актуальными задачами химизации земледелия и охраны окружающей среды.

Цель и задачи исследований. Цель исследований заключалась в изучении размера и состава газообразных потерь почвенного азота и азота удобрений из различных по плодородию и свойствам почв.

В задачу исследований входило изучение следующих вопросов:

1. Влияние плодородия почв на -эффективность и трансформацию азота удобрений.

2. Зависимость между различным сельскохозяйственным использованием почв, их предшествующей удобренностыо и потерями азота удобрений в год внесения и в последействии.

3. Влияние факторов окружающей среды на качественный состав газообразных потерь азота удобрений из различных почв.

4. Потери почвенного азота в газообразной форме, их состав н доля -в общих потерях азота из разных почв.

Научная новизна. Исследования в 3-летнем вегетационном и лабораторных опытах с использованием меченных 15N азотных удобрений и газоадсорбционной хроматографии позволили установить влияние уровня плодородия, аэрации, содержания органического вещества, степени кислотности, влажности и глубины почвенного профиля на размеры и состав газообразных потерь азота из различных почв. Былопоказа-но, что увеличение содержания органического вещества и влажности почвы, а также анаэробные условия способствовали большим потерям азота, которые происходили за счет более восстановленных газообразных продуктов. Получены оригинальные экспериментальные данные о закись-редуктаз-ной активности различных типов почв в зависимости от наличия и качества легкодоступного микроорганизмам энергетического материала. В лабораторных опытах впервые в нашей стране получены экспериментальные данные о потерях почвенного азота в газообразной форме, их составе и доле в Общих потерях азота из разных почв при внесении азотных удобрений.

Практическая ценность работы. Результаты исследований могут быть использованы для обоснования приемов наиболее эффективного применения азотных удобрений на различных

по плодородию почвах. Данные о размере и составе газообразных потерь азота из почв при внесении удобрений могут служить основой для оценки размера поступления окислов азота в земную атмосферу, позволяют прогнозировать условия и факторы, способствующие снижению содержания в составе потерь закиси азота — наиболее опасного загрязнителя окружающей среды.

Апробация работы. Материалы исследований были доложены на конференции молодых ученых «Актуальные вопросы почвоведения» в 1980 г. в Почвенном институте им. В. В. Докучаева, на научной конференции ТСХА в 1980 г. и на семинаре «Изотопные индикаторы в земледелии и химизации сельского хозяйства» в 1981 г. на ВДНХ СССР.

Объем работы. Диссертация изложена на 187 страницах машинописного текста, состоит из введения, 3 глав обзора литературы, 5 глав экспериментальной части, выводов и приложения (из 16 таблиц и 1 рисунка); включает 37 таблиц, 12 рисунков. Список использованной литературы представлен 255 наименованиями, в числе которых 125 иностранных.

Объекты исследования. Опыты проводились с различными почвами — дерново-подзолистыми различного сельскохозяйственного использования и предшествующей удобренности, а также черноземом, сероземом, каштановой почвой и красноземом. В исследованиях использовали различные формы азотных удобрений, меченных ^ : Са(151ЧОз)2 и a также промежуточные продукты нитрификации — гидрокси-ламин и нитриты. В вегетационном опыте и в опыте с почвенными колонками в качестве культуры использовали ячмень, сорт «Московский-121».

Условия и методы проведения эксперимента. Исследования проводились на кафедре агрономической и биологической химии ТСХА (лабораторные опыты) и в вегетационном домике Агрохимической опытной станции им. Д. Н. Прянишникова (вегетационный опыт и опыт с почвенными колонками) в 1978—1980 гг.

Вегетационный опыт. Опыт проводили с разными почвами, взятыми с длительного опыта ТСХА. Использованные в вегетационном опыте почвы отличались по их физико-химическим свойствам, особенно по содержанию гумуса и степени кислотности (табл. 1). Повторность опыта — трехкратная. Часть сосудов опыта служила контролем, в остальные наряду с фос-форно-калийными удобрениями вносили меченную ^ аммиачную селитру. В первый год опыта 15NH4l5N03 вносили во все три сосуда, в следующие два года по одному сосуду оставляли на последействие. Часть сосудов опыта являлась паром, остальные засевали ячменем по 25 семян на сосуд, оставляя после всходов по 20 растений. Влажность почвы в сосудах

Таблица 1

Агр охимическая характеристика почв

Почва N 1 О о Нг 8 =€ РА К]0

А. "Е. "о. мэкв/100г А мг/100 г

Вегетационный и лабораторные опыты, дерново-подзолистая легкосуглиннстая почва

Много- РК 1

летнего ОТК о

пара ^К+навоз а

Севообо- РК 4

рота ОТК 5

^К+навоз 6

Целины 7

I,07

II,08 1,12 1,45 1,47 1,65 2,58

5,70 5,26 5,31 6,54 6,2.1 6,44 5,оО

4,60 4,20 4,19 5,63 5,26 5,30 4,53

2,87 3,55 4,22 1,95 3,09 2,09 3,76

1,43 1,02

0,78 4,86 3,4.1 3,83 4,76

33.2 22,2 15,6

71.3

52.4 64,6 55,8

30,8 31,8 33,4 28,7 29,0 32,4 12,0

Лабораторные опыты и опыт с почвенными колонками

Дерново-подзолистая, средпесугли-нистая Чернозем Краснозем Каштановая Серозем

8

9

10 11 12

1,90 4,78 2,20 2,08 1,30

•4,99 6,93 4,85 7,50 7,92

4,10 6,37 3,83 7,32 7,77

3,70 2,28 13,90

4,85 29,28 2,28 18,03 11,61

56.7

92.8 14,1

100 100

2,6 6,7 5,2 2,7 ,3,2

•175 17,8 18,4 14,2

9,6 11,4

13,0

3,8 10,0 7,4 17,5 15,8

поддерживали на уровне 60% ПВ. Опыт проводили в стеклянных сосудах, вмещающих 3 кг сухой почвы. Азотные удобрения вносили в дозе 300 мг азота на сосуд, исходное обогащение 13,53—14,55 ат.%- Уборку урожая и отбор почвенных образцов производили в фазу полной спелости ячменя.

Опыт по изучению газообразных потерь азота из различных слоев (0—30; 30—60 и 60—90 см) почвы проводили в асбоцементных колонках высотой 1 м и внутренним диаметром 10 см, вмещающих 8 кг сухой почвы. В качестве удобрений использовали КНР04, К2НР04 и Са(15Ш )2 из расчета 120 мг Рг0 и К20 и 100 мг N на 1 кг почвы. Исходное обогащение Са(15К03)2— 19,85 ат.%- Почву увлажняли до необходимой влажности, засыпали в колонки и засевали ячменем по 5 растений на колонку. Часть колонок была с почвой, известкованной СаО по полной гидролитической кислотности. Опыт продолжался 35 дней до исчезновения определяемых количеств N,0 в почвенном воздухе. Образцы -почвенного воздуха для определения концентраций N.>0; 02 и С02 отбирали через 2, 5, 10, 15, 18, 20, 25 и 35 дней.

Лабораторные опыты. Лабораторные опыты проводили в герметичных сосудах различной конструкции емкостью 50—

200 мл, оборудованные штуцерами для взятия образцов надпочвенного воздуха шприцем. В зависимости от условии опыта атмосфера в сосудах заменялась 100% Не (Лг) — анаэробные условия или смесью — 20% 02 и 80% Не — аэробные условия. Анализы надпочвенного воздуха проводили методом газоадсорбционной хроматографии. Для этого использовали два последовательно соединенных хроматографа — «Хром ЗК» и «Газохром 3101». Количества NO; N02 и NH3 определяли колориметрически на системе поглотителей. Изотопный состав азота определяли на масс-спектрометре МИ-1305 и на спектральной установке НИФИ ЛГУ. Анализы на содержание общего и разных форм минерального азота в почве и растительном материале проводили общепринятыми методам».

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

I. Баланс азота удобрения в вегетационном опыте

В вегетационных опытах в отличие от нолевых отсутствует вымывание нитратного азота из почвы и размеры неучтенного меченого азота соответствуют газообразным его потерям (Смирнов, 1970; Broadband a. tNakashima, 1965).

Результаты, полученные при подсчете ежегодного баланса азота 15NH415N03 в почвах различного сельскохозяйственного использования и различной предшествующей удобрен-ности, показывают, что коэффициенты его использования растениями колебались в пределах 28—65% от внесенного и были выше на целинной почве и почвах севооборота (табл. 2). В вариантах с почвами многолетнего пара NPK и NPK-т-навоз растения попользовали меньшие количества азота аммиачной селитры (28 и 44% соответственно), что объясняется высокой кислотностью, низким содержанием гумуса и другими неблагоприятными свойствами этих почв (табл. 1). Иммобилизационная способность почв также была различной. В почвах севооборота и целины в органической форме закрепилось 21—25% азота удобрении, а в почвах многолетнего пара— 12—17%.

В СЙЯЗИ с -этим и потери азота удобрении из длительно парующей почвы были выше (23—18%) по сравнению с почвами севооборота (17—23%), и особенно целины (11% от внесенного).

За последующие 2 года коэффициенты использования растениями и потерн азота ,5NH41 N03 заметно возросли (соответственно на 3—7 и 3—11%) при снижении его содержания в почве в органической и минеральной формах. Из почв многолетнего пара а сумме за три года (с учетом последействия)

Таблица 2

Баланс азота 15КЫ415К03 в дерново-подзолистых почвах различного

плодородия в год внесения и с учетом двух лет последействия (% ог внесенного, в скобках — значения для минерального азога)

в год внесения-Вегетационный опыт 1978—1980 гг.

с учетом последействия

Вариант многолетнего опыта Использовано растениями Осталось в почпе в органической и минеральной форме Потери

РК 63 об 23 13(1) 23 27 48

Многолетни*! пар КРК .7 12612)

33 8 59

КРК-г-навоз 44 51 17(7) В 32 41

РК 56 25(2) 17

20 20

Севооборот КРК 35 210) 23

60 -1-1 26

КРК+навоз 08 64 22(1) 16 • 19 20

Целинная почва 65 22(2) 11

70 16 14

потери возросли с 23—48% до 27—59% внесенного азота. Особенно большие потери азота удобрений в год внесения и в сумме за 3 года происходили из почв многолетнего пара, которые длительно удобрялись азотом. Потери же К— 15КЫ415К03 из почв севооборота и целины 'в сумме за 3 года оказались значительно меньше (14—26%).

Таким образом, потери азота удобрений в газообразной форме происходят как в год внесения, так и в последействии после реминерализации ранее закрепившегося в почве азота удобрений в органической форме, причем из целинной почвы и почв севооборота азота КЫ4К03 терялось меньше, как в год внесения, так и в последействии по сравнению с почвами многолетнего пара. Вследствие того, что большая часть азота удобрений в целинной почве использовалась растениями, потери его из этой почвы были наименьшими, несмотря на высокую ее биологическую активность. В вариантах с почвами многолетнего пара, удобрявшимися КРК и КРК+навоз, которые отличались высокой кислотностью и другими неблагоприятными условиями, растения использовали небольшое ко-6

личество К—N^N03, а газообразные его потери резко возросли. Из парующих почв при отсутствии выноса азота растениями газообразные потери азота удобрений в условиях вегетационного опыта были гораздо больше из целинной почвы, чем из почвы многолетнего пара.

2. Влияние различных факторов на размер и состав газообразных потерь азота

Исследованиями советских и зарубежных ученых (Макаров, 1969; Смирнов, Педишюс, 1974; Cady a. Bartholomew, 1960; Wijler a. Delwiche, 1954) установлено, что основное количество азота в газообразной форме теряется из Почв в виде N2 и N20.

Основными газообразными продуктами, выделившимися из дерново-подзолистых почв, удобренных кальциевой селитрой, к 40-дневной экспозиции при компостировании их в аэробных условиях также оказались N« и N«0 (табл. 3). В сумме на долю этих газов приходилось в зависимости от почв и условий проведения опыта 69,6—100% от общих газообразных потерь азота.

Различные по уровню плодородия дерново-подзолистые почвы (№ 2, 5 и 7, табл. 1) существенно отличались как по размеру, так и по составу газообразных потерь азота. Размер потерь азота в газообразной форме находился в соответствии с биологической активностью почвы. В условиях лабораторных опытов (при отсутствии растений) наиболее интенсивно азот терялся из целинной почвы, которая отличалась наибольшей биологической активностью (биологическую активность почв определяли по скорости выделения С02). Потери азота из этой почвы достигали 7,57—8,32 мг -на сосуд и были на 99—100% представлены молекулярным азотом (табл. 3). Почва многолетнего пара характеризовалась слабой активностью почвенной микрофлоры, наименьшими по размеру общими потерями азота — 1,81—3,77 мг на сосуд и гораздо большим удельным весом окислов азота в их составе. Почва севооборота занимала промежуточное положение по биологической активности, размеру и составу газообразных потерь азота.

Полное затопление почв, а также внесение легкодоступного микроорганизмам органического вещества (глюкозы) приводило к созданию анаэробных и более благоприятных для микроорганизмов трофических условий, что вызывало увеличение газообразных потерь азота и повышение содержания N2 в их составе.

Таким образом, повышение биологической активности и влажности почвы, анаэробные условия, а также наличие лег-

7

Таблица 3

Газообразные потерн азота из различных по плодородию почв в аэробных условиях при внесении Ca(N03)2

мг N/сосуд_, экспозиция 40 дней

% в составе потерь Лабораторный опыт 3

Вариант N, БЮ N0 N0,

60% ПВ 1.26 69,6 0 0,43 23,8 0,12 6,6

Многолетний пар 100% П13 2.10 55,7 0.97 25,7 0.55 И4,6 0,15 4,0

Севооборот 60% ПВ + глюкоза 60% ПВ Ю0% ПВ 2.04 89,0 2.53 91.0 5.28 74.1 0.29 8,9 0.08 2,9 • 1,60 22,4 0.06 1,8 С.13 4.7 0.18 2,3 0,01 0,3 0.04 1 4 0.07 1,0

60%ПВ+глюкоза 7.43 100 0 0 0

60% ПВ 7.57 0 0

100 0

Целина 100% ПВ 7,88 99,0 0 0,08 1,0 0

60% ПВ+глюкоза 8.32 ,100 0 0 0

коокисляемого микроорганизмами органического вещества способствуют увеличению газообразных потерь азота и интенсивному восстановлению окислов азота в Щ, в результате чего доля молекулярного азота в составе выделяющихся из почвы газообразных продуктов возрастает, а доля ЫгО снижается.

Динамика газообразных потерь азота из дерново-подзолистой почвы (.№ 8, табл. 1) показывает, что в начале опыта выделение закиси азота преобладало над образованием в почве N2 (табл. 4). Так, к 15-дневному сроку потери азота из почвы в виде ЫгО были в 3—19 раз больше, чем в виде N2. В последующие периоды содержание молекулярного азота в надпочвенной атмосфере резко возрастало, а снижение концентрации ЫгО наблюдалось только в вариантах РК и РК + СалОзЫ-глюкоза. В почвенном воздухе варианта с кальциевой селитрой без глюкозы закись азота накапливалась в течение всего опытного периода. Это связано, возможно, с вы-

сокой кислотностью почвы и ингибирующим действием нитратов на восстановление N20 в N Внесение ъ почву глюкозы привело к полному восстановлению закиси азота к концу опыта.

Таблица 4

Динамика газообразных потерь азота в виде N20 (в числителе) и N (в знаменателе) из дерново-подзолистой почвы (мг ^/сосуд)

Лабораторный опыт 7

Вариантл Экспозиция, ЛИИ

5 10 I КЗ ,25 55

РК 0,06 0,32 1.15 0,40 0

0 0,03 0,08 0,65 1.18

РК+Са(Ш3)2 . . . . 0 — 0 0.06 0,08 0,88 0,29 1.66 0,34 4,45 0,41

РК+Са(>Юз)2+глюкоза , 0.07 0.29 .1.41 3,34 0

0 0,08 0,34 1,79 5,74

Следовательно, состав газообразных потерь азота, особенно соотношение между N и N.,0, во времени существенно изменяется. В первые периоды азот теряется из почв за счет N.0, затем, после «лагового» периода в надпочвенной атмосфере накапливается N2, особенно при добавлении доступного микроорганизмам органического вещества.

До настоящего времени остается слабоизученным вопрос о влиянии глубины почвенного профиля на газообразные потери азота.

В насыпных почвенных колонках, удобренных кальциевой селитрой, с увеличением глубины почвенного слоя газообразные потери азота возрастали (табл. 5). Так, в слое 60—

Таблица 5

Газообразные потери азота Са(^0а)а из различных слоев почвенных колонок (% от внесенного)

Вариант Глубина, см

0—30 30—60 60—90 0—90

60% ПВ 37 24 52 38

60% ПВ+СаО 46 37 65 49

90% ПВ 56 66 70 64

90 см размеры газообразных потерь азота 0а('^03)2 из дерново-подзолистой почвы (№ 8, табл. 1) достигали 52—70%, в то время как в слое 0—30 см они составили 37—56% от внесенного. При начальной влажности 60% ПВ из слоя 30— 60 см азот терялся менее интенсивно, чем из верхнего слоя,

О'

что, вероятно, связано с воздействием корней растений на денитрификалию в этом слое. Повышение влажности почвы до 90% ПВ и известкование способствовали увеличению газообразных потерь азота во всех слоях почвенных колонок. Результаты определения концентраций закиси азота в почвенном воздухе различных слоев соответствовали общим потерям азота Са('^03)2, определенным балансовым методом >в почвенных колонках: с увеличением глубины и влажности, а тах-же в присутствии СаО размеры потерь N20 из почвы увеличивались.

Следовательно, наиболее благоприятные условия для де-ннтрнфикацин и газообразных потерь азота в колонках складывались в самом нижнем слое почвы.

3. Газообразные потери азота с участием промежуточных продуктов нитрификации

Процессы дснитрификации и нитрификации протекают н по'йве черз ряд нестабильных соединений азота (гидроксила-мпн, нитрит, гипонитрит, нитроксил и др.), которые, спонтанно разлагаясь, могут образовывать газообразные продукты.

Таблица 6

Газообразные потерн азота из различных но плодородию почв при внесении ^N0, и ]\Н2ОН (мг ]/сосуд)

за 2 дня

за 25 дней

Лабораторный опыт 4

Почпа

Многолетнего пара Севооборота . . . Целины ....

Многолетнего пара

Севооборота , ,, .

Целины .... 10

N. НзО N0 Ы'ОЬ

№N0]

0.16 0.03 1.65 0.11

0,53 0Ш 1,21 0,0Ь

0.20 0,18 0.35 0.01

0 о.ш 0,01

0.88 0.85 2.41 0.17

:1,?5 0 0 0

]Н20Н

0.63 1,37 0,23 0.06

2,15 0,67 0,33 0,04

0.28 1,69 0.11 0.03

3,05 0 0,(1 Г 0,02

0.50 2.15 0,07 0

3,74 О 0,05 0

В лабораторном опыте внесение в различные почвы (№ 2. о и 7, табл. 1) нитритов и гидроксиламина приводило к быстрому (к 2-дневному сроку) выделению из почв газообразных азотистых соединений (табл. 6), что свидетельствует о химическом разложении КаК02 и КН20Н в почве. Основным газообразным продуктом разложения К02~ в почве оказалась окись азота, причем над почвами многолетнего пара и целины, отличающимися повышенной кислотностью (рНкс1 4,20 и 4,53, табл. 1) окиси азота накопилось за 2 дня гораздо больше— 1,65 и 2,41 мг N—N0 на сосуд соответственно, чем над менее кислой почвой севооборота, потери N0 из которой были в б—8 раз меньше и составляли только 0,33 мг N на сосуд.

Внесение в почву гидроксиламина привело к интенсивному выделению закиси азота. Наибольшие потери N.,0— 2,15 мг азота на сосуд за 2-дневный период при разложении гидро-ксиламина наблюдались из наиболее гумусированной целинной почвы, наименьшие— 1,37 мг N—N20 на сосуд — из почвы многолетнего пара.

К 25-дневному периоду в атмосфере над биологически активными почвами (почвы целины и севооборота) окислы азота были почти полностью восстановлены до N2. В вариантах же с почвой многолетнего пара восстановление N02; N0 и N30 протекало очень медленно.

Таким образом, исследования в лабораторном опыте показали участие промежуточных продуктов трансформации азота в почве в газообразных его потерях. В результате хемо-денитрификации нитриты интенсивно .разлагались п кислых почвах с образованием N0. При разложении гидроксиламина в почве в основном образовывалась закись азота, причем скорость выделения N20 (в первые 2 дня) тесно коррелировала с содержанием в почве органического вещества. Интенсивность последующего 'восстановления N0 и N20 до N2 зависела от биологической активности почвы.

4. Восстановление закиси азота в различных почвах

В цепи диссимиляторного восстановления нитратов микроорганизмами закись азота редуцируется до N2. Однако не всегда в почве складываются благоприятные условия для этого процесса. • Низкие значения рН, недостаток органического вещества, неполный анаэробиозис и другие факторы препятствуют восстановлению N20 в почве (Смирнов, Педишюс, 1974; ^шт!^ 1956; 'Щ1ег а. БеГшсИе, 1954). В результате этого в составе выделяющихся из почв газообразных -азотистых соединений увеличивается доля N20 — опасного загрязнителя атмосферы. Кроме того, в наших опытах инги-

и

бирование-процесса восстановления N.,0 ацетиленом позволило установить,,что образование закиси азота в почве значительно превосходит ее количества, обнаруживаемые в надпочвенной атмосфере.

Различные почвы — дерново-подзолистая, чернозем, краснозем, каштановая и: серозем (№--5, 8—12, табл. 1) существенно отличались закись-редуктазной активностью. В черноземе закись азота, введенная в надпочвенную атмосферу в дозе 1,0 мг N—N20 на сосуд, быстро восстанавливалась. Уже к 15-му дню опыта в почвенном.воздухе чернозема не было обнаружено ^0:(табл.7). В вариантах с дерново-подзолистой

Таблица 7

Закись-редуктазная активность различных почв

О, Т.ТО,-. без соломы

% N20 от введенного ~

с соломой

Лабораторный опыт 8 Экспозиция, Дни

10 15

65 51_ О

58 53 ,49

76 62 50

54 ЗУ 0

74 57 50

65 2 о

60 45 43

почвой, сероземом, каштановой почвой и красноземом к этому периоду оставалось 43—50%- введенной закиси азота. Такие различия обусловлены, вероятно, более благоприятными для восстановления НгО условиями в черноземе (содержание гумуса 4,78%, РНКС1 6,37) по сравнению с дерново-подзолистой, каштановой почвой, сероземом и красноземом (содержание гумуса 1,47; 2,08; 1,30 и 2,20, рН КС1 5,26; 7,32; 7,77 и 3,83 соответственно, табл. 1).

Внесение в почвы доступного микроорганизмам органического материала (соломы) резко увеличило их закись-редук-тазную активность. Так, над каштановой почвой и черноземом под влиянием соломы за 5-дневный период ^0 практически полностью была восстановлена, а в дерново-подзолистой почве редукция этого газа в варианте с соломой закончилась к \Q-Nw дню опыта. Наименее эффективно действовала, солома

Почва

Чернозем .... Дерново-подзолистая Краснозем . . . Сероаем .... Каштановая . . .

на закнсь-редуктазную активность краснозема, что связано с высокой актуальной и потенциальной кислотностью этой почвы.

Таким образом, разные типы почв значительно различаются по способности восстанавливать закись азота до N«, скорость ее редукции резко увеличивается при внесении в почву соломы.

5. Газообразные потерн почвенного азота

Данные многолетних стационарных опытов (Доспехов, 1967; Лыков, Вьюгин, 1980; Минеев, Шевцова, 1978; Перепелица, 1974), а также немногочисленные лабораторные опыты (Bremner a. Shaw, 1958; Schwartzbeck et. at., 1961) показывают, что в газообразной форме наряду с азотом удобрений может теряться азот самой почвы.

Эмиссионно-спектрометрическое и масс-спектрометриче-ское определение изотопного состава N2 it N«0 в атмосфере сосудов показало, что из почвы в виде этих газов теряется как азот удобрений, так и почвенный азот. Данные таблицы 8 показывают, что внесение в дерново-подзолистую почву (№ 8,

Таблица 8

Потери азота почвы н Ca(lsNOsb в анаэробных условиях

(экспозиция 55 дней)

Лабораторный опыт 7

Форма газообразных потерь Общие потери, мг N Из удобрений Из почвы

Вариант 2: Я Ло от внесенного с- % от общих потерь

РК-т-Са(,5.\'Оз)2 n2 0s41. 0,17 3 0,24 59

N,0 4,45 3,79 76 0,66 15

РК + Са(15\'03)2 + •5,74 4,34 87 1,40 24

глюкоза N20 0 0 0 0 0

табл. 1) глюкозы вызывало максимальные (5,74 мг N на сосуд) общие потери М за 55-дневную экспозицию. Закись азота в варианте с глюкозой к этому периоду в составе выделяющихся газов отсутствовала, так как была полностью редуцирована в N3. Большая часть М, в этом варианте—более 3/4-была представлена азотом кальциевой селитры. Доля почвенного азота составляла 24% в составе общих потерь азота. В варианте без глюкозы общие газообразные потери азота из почвы были меньше — 4,86 мг М/сосуд. причем в этом случае терялось гораздо меньше М2— всего 0,41 мг на сосуд,

в то время как потери закиси азота были значительно боль-ше._4,45 мг N — N.,0 на сосуд. В отличие от М,, представленного более чем наполовину почвенным азотом, в составе выделившейся N,0 было обнаружено всего 15% азота почвы, а 85% приходилось на азот удобрения. Восстановление N,0 до N.. в условиях данного опыта (сильнокислая, бедная гумусом дерново-подзолистая почва) протекало очень медленно, поэтому молекулярный азот появился в атмосфере сосудов позже закиси азота. К моменту появления N.. в почвенном воздухе, вероятно, большая часть нитратов кальциевой селитры была редуцирована, в то время как часть органического азота почвы могла минерализоваться и теряться в газообразной форме. Не исключена также возможность химических -реакций в почве, приводящих к разбавлению метки в составе N..

Результаты другого лабораторного опыта (табл. 9) пока-

ТаСлица 9

Влияние почвенного плодородия на потери азота почвы и Са^^Оз). в виде N в аэробных условиях (экспозиция 40 дней)

Лабораторный опыт 3

Общие потери Азот удобрений, мг N — Ь'г/сосуд Азот почвы мг N—^/00-суд

Мр мг ^сосуд % N почвы в составе потерь

• % от внесенного

Многолетнего пара . . 1Д6 0,61 6 0,65 5.

.,53 1.60 16 0.93 07

Целины ...... 7,57 6,50 05 1,07 14

зывают, что размеры газообразных потерь почвенного азота зависят ог плодородия почвы. При компостировании почв в аэробных условиях потери азота в виде N.. как удобрения, так и почвы оказались наибольшими -в варианте с целинной почвой, из которой терялось 6,50 .мг на сосуд, или 65% от внесенного азота кальциевой селитры и 1,07'мг азота почвы. Общие потери N. из почвы севооборота были в 3 раза меньше, чем из целинной* почвы. Однако потери почвенного азота из этих почв были близкими (0,93 и 1,07 мг), хотя доля почвенного азота в общих потерях из почвы севооборота (37%) была значительно выше, чем в варианте с целинной почвой (14%). В надпочвенной атмосфере. многолетнего пара было обнару-

жено всего 1,26 мг N—N3, причем почвенный азот и азог удобрений терялись из этой почвы примерно в равных количествах (52 и 48% от общих потерь соответственно).

Таким образом, почвенный азог, как и азот удобрений, может теряться в газообразной форме в виде N3 и N.,0. Доля почвенного азота в составе общих газообразных потерь колеблется в широких пределах (от 37 до 52% для пахотных почв) в зависимости ог свойств почвы, наличия 'в ней доступного микроорганизмам органического вещества, ее биологической активности и других условий. С повышением почвенного плодородия абсолютные размеры потерь почвенного азота (мг N «а сосуд) возрастают, в то время как относительные (% в составе общих потерь), наоборот, снижаются.

Данные о соотношении между азотом почвы и удобрения в составе общих газообразных потерь в определенных условиях могут быть использованы для приблизительной оценки размера потерь почвенного азота в газообразной форме.

Выводы

1. Использование растениями азота почвы и аммиачной селитры зависело ог уровня плодородия почв. На почвах севооборота и целины по сравнению с малоплодородными почвами многолетнего пара использование азота почвы и коэффициенты использования азота удобрений были гораздо выше. За два года последействия коэффициенты использования азота аммиачной селитры возросли на 3—7% от внесенного.

2. Размеры газообразных потерь азота NH4N03 из почв уменьшались с повышением почвенного плодородия. В условиях вегетационного опыта они составили в среднем да три года 26—50% для почв многолетнего пара, 24—30% азота ог внесенного для почв севооборота и 16% из целинной почвы.

3. В сумме за три года (с учетом года действия и двух лет последействия) суммарные газообразные потери азота NH4N03 из почв воз-росли с 11—48% до 14—59% от внесенного.

Потери азота ,5МН415МОз в газообразной форме в 1-й год последействия были гораздо больше из почв многолетнего пара (3,8—10,4%) по сравнению с почвами севооборота м целины (1,0—2,3% от внесенного). Увеличение газообразных потерь азота в последействии происходило в основном за счет минерализации ранее иммобилизованного азота.

4. Потери азота из почв в газообразной форме происходили преимущественно в виде N3 и N30. В форме N0 и N03 они были незначительными и происходили главным образом в результате химического саморазложения нитритов в кислых

почвах. Окислы азота,- образующиеся в почве в анаэробных условиях, быстро редуцировались до N3.

5. Состав газообразныхлютерь азота, особенно соотношение N2! N20, зависит от свойств почвы. В составе потерь азота нз дерново-подзолистых почв с высокой микробиологической активностью (почвы целины II севооборота) доля N2 увеличивается, а доля ^0 снижается по сравнению с биологически малоактивной почвой многолетнего пара, из которой потер)! азота происходили в основном за счет закиси и частично окислов азота.

6. Газообразные потери азота из почв обуславливаются не только биологической деннтрификанией, но и хемоденитрифн-кацией с участием нитритов, гидроксиламина и других промежуточных соединений азота. Разложение нитритов с образованием N0 и N02 происходило более интенсивно в кислых почвах многолетнего пара и целины, чем в менее кислой почве севооборота. Деструкция в почвах гидроксиламина происходила в основном с образованием ^0. Скорость разложения нитритов и гидроксиламина увеличивалась с повышением содержания в почве органического вещества.

7. В определенных условиях ^0 быстро восстанавливается в №>. Количество, образовавшейся в почве закиси азота, как показало ингибирование процесса восстановления ^0 в почвенном -воздухе ацетиленом, значительно превосходит ее содержание в надпочвенной атмосфере.

' 8. Восстановление закиси азота, в различных типах почв находилось в прямой зависимости от их общей биологической активности. Наиболее интенсивно редукция ^0 протекала в черноземе и дерново-подзолистой почве. Каштановая почва, серозем и краснозем характеризовались более низкой закись-редуктазной активностью. Внесение в почву глюкозы и соломы существенно увеличивало скорость редукции и удаления закиси азота из атмосферы сосудов.

9. В опыте с насыпными почвенными колонками наибольшее выделение закиси азота наблюдалось в нижних слоях почвы, что находилось в соответствии с балансом меченного ^ азота удобрения. Увеличение влажности (с 60 до 90% ПВ), а также известкование приводило к увеличению выделения ^0 и повышению общих газообразных потерь из почвы.

10. Измерение изотопного состава выделяющихся из почв газообра1з5ных продуктов показало, что наряду с азотом удобрения в форме N и ^0 теряется также почвенный азот В зависимости от свойств почв, их биологической активности, доля почвенного азота ъ составе общих газообразных потерь варьировала в широких пределах, составляя для пахотных почв 37—52%.

Но материалам диссертаций опубликованы следующие

работы:

1. Торшин С. П. Газообразные потерн азота из почв различного сельскохозяйственного использования. Доклады ТСХА, 1980, вып. 263, с. 70—74.

2. Кидин В. В., Смирнов П. М., Торшин С. П. Редукция закиси азота в различных почвах. Известия АН СССР, серия биологическая 1981, № 5, с. 766—771.

3. Торшин С. П. Возможность применения ацетилена для ингибиравания процесса восстановления закиси азота в почвах. В сб.: «Проблемы химизации и -мелиорации почв», ТСХА, М., 1981, с. 39—42.

4. Смирнов П. М., Кидин В. В., Ионова О. Н., Торшин С. П. Размер потерь азота почвы и удобрений. В сб.: «Проблемы химизации и мелиорации почв», ТСХА, М... 1981, с. 3—8.

5. Смирнов П. М., Кидин В. В., Торшин С. П. Влияние почвенного п.тодородия на содержание азота почвы и удобрений в составе газообразных потерь. Почвоведение, 1981, № 11, с. 99—107.

Л 78178 11/Х11—81 г. Объем IV* п. л. Заказ 2903. Тираж 100

Типография Московской с.-х. академии им. К. А. Тимирязева 127550, Москва И-550, Тимирязевская ул., 44