Миграция нитратного азота по профилю почвы
- Авторы: Волынкина О.В.1, Копылов А.Н.1
-
Учреждения:
- Уральский федеральный аграрный научно-исследовательский центр Уральского отделения РАН
- Выпуск: № 4 (2024)
- Страницы: 3-7
- Раздел: Плодородие почв
- URL: https://journal-vniispk.ru/0002-1881/article/view/259549
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0002188124040014
- EDN: https://elibrary.ru/dnajoi
- ID: 259549
Цитировать
Полный текст
Аннотация
В выщелоченном малогумусном среднесуглинистом черноземе центральной зоны Курганской обл. отмечены потери нитратного азота через вымывание с осадками вниз по профилю почвы. Потери возрастали при применении повышенных доз азотного удобрений, а также в вариантах при одностороннем применении азотных удобрений.
Полный текст
ВВЕДЕНИЕ
Азотный фонд почвы определяется величиной содержания валового азота, который находится в тесной связи с содержанием гумуса, с урожайностью связано только количество почвенного нитратного азота. Основная часть азота почвы находится в органической форме, а на минеральные формы приходится всего 1–3% [1]. Среди разных видов почв наиболее благоприятный для растений азотный режим почвы складывается на черноземах, которые занимают до 50% пахотных земель России, на них производится до 75% валовой продукции [2]. Хорошая растворимость и большая подвижность нитратов в почве приводит к их потерям через вымывание вниз по профилю почвы. Размеры миграции нитратного азота регулируются гранулометрическим составом почвы и технологией возделывания сельскохозяйственных культур [3]. При орошении потери нитратов бывают гораздо больше [4–6].
Ежегодное применение азотных удобрений перед посевом культур локальным способом дисковой сеялкой СЗ-3.6 на 4–5 см обогащает почву нитратами. При достаточном количестве осадков определенная доля нитратного азота опускается ниже корнеобитаемого слоя почвы, особенно при повышенных дозах удобрения. Миграция растворенных в воде нитратов по профилю почвы происходит посредством диффузии жидкой и газообразной фаз влаги, а также большое значение имеют капиллярное и гравитационное перемещение воды вниз по профилю почвы, что описано в литературе [7–11].
В исследованиях Курганского НИИСХ ранее отмечено промывание нитратов в глубину профиля почвы до 2–3-х м по наблюдениям в стационаре с зернопропашным севооборотом (кукуруза–две пшеницы–овес) [12]. В этом опыте изучали состав удобрения и дозы азота, сначала в условиях севооборота, позднее – в посеве бессменной пшеницы. В эксперименте отбор почвенных проб вели весной до внесения новых порций удобрений. Различия результатов весеннего и осеннего отбора почвы по накоплению нитратного азота под пшеницей после пара на производственных участках северозападной зоны Курганской обл. показаны в методических рекомендациях ФГБУ САС “Шадринская”. Большинство результатов анализа почвенных образцов в этом поле зернопарового севооборота показало, что определение содержания нитратного азота осенью давало более высокие показатели [13], по-видимому, за счет дополнительной летней текущей нитрификации.
Новые наблюдения за содержанием нитратного азота на глубине 3 м проведены в Курганском НИИСХ в 2014, 2015 и 2021 гг. в вышеупомянутом стационарном опыте, где зернопропашной севооборот (1971–1998 гг.) заменен в 1999–2021 гг. бессменной пшеницей после стерневого фона. Такую технологию необходимо изучить, т. к. она распространилась в производственной практике.
Цель работы – определение размеров потерь нитратного азота в выщелоченном черноземе под посевом бессменной пшеницы в условиях Центрального опытного поля Курганского НИИСХ.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Объект исследования – выщелоченный чернозем маломощный малогумусный среднесуглинистый. Агрохимические свой ства почвы в слое 0–20 см: рНKCl 6.2–6.4 при закладке и 5.0–5.2 – в настоящее время, содержание гумуса – 4.5%, суммы кальция и магния – 20–22 мг-экв/100 г, общего азота – 0.20%, общего фосфора – 0.07%, содержание подвижных Р2О5 и K2О – 40 и 250– 300 мг/кг соответственно. Удобрения (аммиачную селитру и аммофос) вносили до посева дисковой сеялкой СЗ-3.6 на глубину 4–5 см. Определение содержания нитратного азота провели в 1-метровом слое почвы, либо в 3-метровом. Количество среднегодовых осадков в центральной зоне Курганской обл. равно 350 мм, за вегетацию (май–август) – 190 мм.
В эксперименте сравнили количество нитратов в 3-метровом слое почвы на фоне без удобрения, при разном составе удобрения и возрастающих дозах азотного удобрения. Стационарному опыту 51 год. В течение 28 лет (1971–1998 гг.) исследование вели в севообороте кукуруза–две пшеницы–овес при ежегодной вспашке, а в 1999–2021 гг. – в посевах бессменной пшеницы после стерни. Почву отбирали весной перед внесением новых доз удобрения, т. е. определяли остаточное количество удобрения. Содержание подвижного Р2О5 в слое 0–20 см почвы под влиянием ежегодного применения суперфосфата в севообороте и аммофоса в 2008–2021 гг. в посеве бессменной пшеницы повысилось с 40 до 80 мг/кг.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ миграции нитратного азота по профилю почвы под посевом бессменной пшеницы подтвердил выявленные ранее в годы севооборота закономерности. На систематически удобренном фоне остаточные количества нитратного азота за небольшими исключениями (прохладная весна в 2018–2019 гг.) были больше, чем в контроле. При дозах N40–60 на фосфорном фоне чаще количество нитратов в 1-метровом слое по обеспеченности растений азотом приближалось к оптимуму (75–80 кг/ га). В среднем за 6 лет за период с 2016 по 2021 г. количество нитратного азота в 1-метровом слое почвы составило 50 кг/га без удобрений и 76 кг/га – при внесении N40–60Р20 (табл. 1).
Таблица 1. Содержание N-NО3 в 1-метровом слое почвы, кг/га
Вариант | 2015 г. | 2017 г. | 2018 г. | 2019 г. | 2020 г. | 2021 г. | Среднее |
Контроль | 35 | 54 | 41 | 48 | 48 | 71 | 50 |
N40–60P20 | 110 | 82 | 53 | 54 | 69 | 90 | 76 |
НСР05 | 17 |
Отбор образцов на глубину 3 метра позволил оценить размеры потерь азота через вымывание нитратов с осадками во 2-й и 3-й метры почвенного профиля. В табл. 2 показано содержание N-NО3 в 3-метровом слое выщелоченного чернозема в 2014 и 2021 гг.
Таблица 2. Миграция нитратного азота при внесении разных доз аммиачной селитры, кг/га
Слой почвы, см | Контроль | N20P20 | N40P20 | N60P20 | ||||
2014 г. | 2021 г. | 2014 г. | 2021 г. | 2014 г. | 2021 г. | 2014 г. | 2021 г. | |
0–100 | 30 | 71 | 47 | 44 | 72 | 104 | 51 | 108 |
100–200 | 19 | 29 | 21 | 20 | 30 | 26 | 42 | 52 |
200–300 | 25 | 23 | 21 | 27 | 28 | 34 | 31 | 38 |
0–300 | 74 | 123 | 89 | 91 | 130 | 164 | 124 | 198 |
Отмечено, что за 7 лет значительно возросло количество нитратного азота в 3-метровом слое, особенно при дозе N60Р20. За эти годы в теплое время года (май–сентябрь) выпало в сумме 1470 мм осадков, в среднем за год – 210 мм. Во 2-й и 3-й метры профиля почвы попало 60% нитратного азота в 2014 г. и 42% – в 2021 г. в контроле, на фоне внесения N40Р20–45 и 37 и N60Р20–59 и 45%.
Основная масса корней размещается в верхнем слое 0–60 см почвы. Опасно, если за счет осадков нитратный азот опускается ниже корнеобитаемого слоя почвы. Показано, что за 7 лет при внесении малой дозы азотного удобрения изменение суммарного содержания нитратного азота в слое 60–300 см было небольшим (рис. 1).
Рис. 1. Изменение количества нитратного азота в слое почвы 60–300 см за период с 2014 по 2021 гг. при внесении разных доз азота, кг/га.
В контроле и при внесении доз N40–60Р20 наблюдали существенное увеличение суммарного содержания нитратного азота, но распределение нитратного азота в слое 0–300 см по глубине показало, что в контроле ниже 60 см его было 56% в 2014 г. и 55% – в 2021 г., при внесении N40Р20–54 и 55% и N60Р20–72 и 60% соответственно. Необходимо было найти причину увеличения данного показателя, для чего составили баланс азота за 7-летний период.
Основной причиной была невысокая урожайность бессменной пшеницы после стерни. Играли роль следующие факторы: среднесуглинистый гранулометрический состав почвы, величина доз азота в технологии и повторение июньских засух, которые отмечены за 7 лет 4 раза с осадками в июне, равными 6–30 мм. В среднем за 7 лет продуктивность повторных посевов пшеницы после стерни была невысокой: 9.8 ц зерна/га в контроле и 13.6, 15.2, 15.3 при внесении доз N20–40–60Р20 соответственно. Суммарный вынос азота зерном за 7 лет (солому не отчуждали с поля) был равен 133 в контроле, а в вариантах с удобрениями – 179, 238 и 248 кг/га. Внесено было в удобренных вариантах 140, 280 и 420 кг азота/га. Начиная со второй дозы, баланс азота становился положительным, в вариантах N40–60Р20 в сумме за 7 лет он составил 42 и 172 кг/га (табл. 3).
Таблица 3. Баланс азота за 7-летний период наблюдений за миграцией нитратного азота по профилю почвы (2014–2021 гг.)
Вариант | Урожайность, т/га | Содержание азота в зерне, % | Вынос азота за год, кг/га | Вынос азота за 7 лет, кг/га | Внесено азота за 7 лет, кг/га | Баланс азота за 7 лет, кг/га | Баланс азота за год, кг/га |
Контроль | 0.98 | 1.94 | 19.0 | 133 | 0 | −133 | −19.0 |
N20Р20 | 1.36 | 1.84 | 25.0 | 175 | 140 | −35 | −5 |
N40Р20 | 1.52 | 2.24 | 34.0 | 238 | 280 | 42 | 6 |
N60Р20 | 1.53 | 2.32 | 35.5 | 248 | 420 | 172 | 25 |
Лишний азот, не использованный растениями, с осадками мигрировал вниз по профилю почвы. Наибольшими оказались потери в варианте применения дозы азота N60Р20.
При анализе содержания нитратного азота в 3-метровом слое почвы в 2015 г. обнаружено, что при одной и той же дозе внесения N40 потери от вымывания нитратов существенно снижались, если азот вносили в сочетании с фосфором (рис. 2).
Рис. 2. Количество нитратного азота в слое 60– 300 см почвы под посевом бессменной пшеницы при применении разного состава удобрения и возрастающих доз азота, кг/га (2015 г.).
В слое почвы 0–300 см в 5-ти вариантах находилось нитратного азота 82, 173, 80, 125 и 223 кг/га, ниже 60 см в контроле мигрировало 72% от суммарного количества, 76% – при внесении N40 и 69, 67, 42%, если применяли дозы N20–40–60Р20.
Такая закономерность отмечена в опыте еще в годы севооборота. Поскольку почва бедна подвижным фосфором (40 мг/кг), одно азотное удобрение слабо влияло на величину урожая. В посеве кукурузы при одностороннем азотном удобрении постепенное повышение дозы азота от N40 до N80 и N120 было нецелесообразным. При внесении азотнофосфорного удобрения эффективность каждой из 3-х доз азота с шагом N40 имела совсем иную характеристику. Полезными были 1-я и 2-я дозы азота. На рис. 3 приведены предельные прибавки урожая сухого вещества кукурузы от каждой из 3-х доз при увеличении дозы удобрения на N40.
Рис. 3. Предельные прибавки урожайности сухой массы кукурузы при увеличении доз азотного удобрения с шагом N40 без внесения фосфора и на фоне Р40, ц/га (контроль – 42 ц/га, НСР05 = 8.0), (1971–1998 гг.).
Под зерновые культуры вносили N20–40–60. Характер действия этих доз был таким же: значительно больше было действие азота с фосфором по сравнению с внесением одной аммиачной селитры. На рис. 4 показано влияние только азотнофосфорного удобрения при применении 3-х возрастающих доз азота.
Рис. 4. Предельные прибавки урожайности зерновых культур в севообороте кукуруза–пшеница–пшеница–овес при применении возрастающих доз азота с шагом N20 на фоне внесения Р40 (1971–1998 гг., урожайность в контроле: 1-я и 2-я пшеница после кукурузы – 15.8, овес – 23.8 ц/га; НСР05 = 1.1–2.3).
Аналогично предельные прибавки урожайности пшеницы в севообороте были выше при внесении первой дозы N20, чем при 2-х последующих. Для овса эффективной была только 1-я доза азота. Менее активно использованный азот постепенно мигрировал в нижние слои почвы.
Такая же закономерность проявилась во влиянии разного состава удобрения на урожайность бессменной пшеницы после стерни. Кроме этого, было очевидно, что урожайность пшеницы в повторных посевах после стерни стала заметно меньше по сравнению с ее продуктивностью в севообороте при вспашке, где сбор зерна пшеницы в контроле составил 15.8 ц/га и 23.8 ц/га – овса. Бессменная пшеница после стерни в среднем за 1999–2020 гг. имела урожайность зерна 9.8 ц/га в варианте без удобрений и 11.6–16.4 ц/га – в вариантах их внесения (рис. 5).
Рис. 5. Влияние состава удобрения и доз азота на урожайность бессменной пшеницы после стерни (1999–2020 гг.), (НСР05 = 1.7 ц/га).
В повторных посевах пшеницы среди вариантов применения удобрений существенно улучшало рост растений и формирование более высоких урожаев совместное внесение азотнофосфорных удобрений. При применении фосфорного удобрения явно эффективным было увеличение дозы азота от N20 до N40, что не было отмечено при одностороннем азотном удобрении; увеличение дозы до N60 давало эффект лишь во влажные годы, которые за 1999–2020 гг. наблюдались лишь 8 раз.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, показано, что на выщелоченном черноземе с низким содержанием подвижного фосфора (40 мг/кг) применение только азотного удобрения действовало на урожай слабо и вело к миграции более высоких количеств неиспользованных растениями нитратов вниз по профилю почвы, чем при совместном применении азота с фосфором.
Продуктивность культур на выщелоченном черноземе, бедном подвижным фосфором, была значительно больше на фоне применения азотнофосфорного удобрения. В специальных опытах Курганского НИИСХ показано, что под кукурузу и зерновые культуры достаточно вносить Р15– 20 в рядки при посеве. При применении удобрения до посева рекомендуют дозы Р20–30. Оптимальные дозы азота в составе азотнофосфорного удобрения на Центральном опытном поле Курганского НИИСХ для пропашных культур составили N50–60, для пшеницы после непаровых и небобовых предшественников – N20–30–40, для овса – N20–25. При повышении доз азота сверх оптимального количества часть нитратного азота мигрировала вниз по профилю почвы, приводя к нерациональным затратам средств химизации. Названные дозы рекомендованы для аналогичных почвенно-климатических условий, какие были в опыте.
***
Исследование выполнено в Курганском научно-исследовательском институте сельского хозяйства – филиале УрФАНИЦУрО РАН – в лабораториях агрохимии и земледелия в рамках Государственного задания Министерства науки и высшего образования по теме № 0532-2021-0002 “Усовершенствовать систему адаптивно-ландшафтного земледелия для Уральского региона и создать агротехнологии нового поколения на основе минимизации обработки почвы, диверсификации севооборотов, рационального применения пестицидов и биопрепаратов, сохранения и повышения почвенного плодородия и разработать информационно-аналитический комплекс компьютерных программ, обеспечивающий инновационное управление системой земледелия”.
Об авторах
О. В. Волынкина
Уральский федеральный аграрный научно-исследовательский центр Уральского отделения РАН
Автор, ответственный за переписку.
Email: volynkina.o@bk.ru
Россия, 620142 Екатеринбург, ул. Белинского, 112а
А. Н. Копылов
Уральский федеральный аграрный научно-исследовательский центр Уральского отделения РАН
Email: volynkina.o@bk.ru
Россия, 620142 Екатеринбург, ул. Белинского, 112а
Список литературы
- Онищенко Л.М. Агрохимические основы воспроизводства плодородия чернозема выщелоченного Западного Предкавказья и повышение продуктивности сельскохозяйственных культур: Дис. … д-ра с.-х. наук. Краснодар, 2015. 668 с.
- Завалин А.А., Соколов О.А., Шмырева Н.Я. Азот в агросистеме на черноземных почвах (к 125-летию экспедиции В.В. Докучаева в Каменную степь). М.: ВНИИА, 2018. 180 с.
- Надеждина Е.В. Экологоагрохимические аспекты регулирования азотного режима черноземных почв лесостепи Среднего Поволжья: Автореф. дис. … д-ра биол. наук. Казань, 2004. 64 с.
- Кирюшин В.И. Агрономическое почвоведение. М.: КолосС, 2010. 687 с.
- Кинчус Л., Поцене А., Поцюс С. Миграция нитратов по почвенному профилю // Мелиорация. 2007. С. 140–146.
- Кирюшин В.И., Ткаченко Г.И. О нисходящей миграции нитратов в черноземах Сибири при сельскохозяйственном использовании // Почвоведение. 1986. № 2. С. 34–43.
- Минеев В.Г. Экологические проблемы агрохимии. М.: Изд-во МГУ, 1988. 286 с.
- Шеуджен А.Х., Онищенко Л.М., Осипов М.А., Есипелко С.В., Ковалев С.С. Минеральные удобрения и урожайность сельскохозяйственных культур, выращиваемых на черноземе выщелоченном Прикубанской низменности / Сб. “Итоги выполнения программы фундаментальных исследований государственных академий на 2013–2020 гг.”. Мат-лы Всерос. коорд. совещ. научн. учрежденийучастников Географической сети опытов с удобрениями 16–17 апреля 2018 г. М.: ВНИИА, 2018. 440 с. С. 391–400.
- Шарков И.Н., Колбин С.А., Самохвалова Л.М. Проблема азота при использовании чернозема выщелоченного по интенсивной технологии в лесостепи Западной Сибири // Агрохимия. 2021. № 2. С. 3–10.
- Белоусова Е.Н., Белоусов А.А. Агропочвоведение. Красноярск: Красноярск. ГАУ, 2016. 325 с.
- Трансформация азота в почве [Электр. ресурс] / agroint.com›…v-pochve…transformaciya-azote-v… / (дата обращения 27.12.20210.
- Волынкин В.И., Волынкина О.В., Телегин В.А. Влияние азотного удобрения в зернопропашном севообороте и при бессменном выращивании пшеницы на урожай сельскохозяйственных культур, качество зерна и плодородие почвы // Агрохимия. 2007. № 8. С. 23–27.
- Методические рекомендации по оценке обеспеченности почв нитратным азотом и применению азотных удобрений в зоне обслуживания ФГБУ САС “Шадринская”. Шадринск, 2018. 20 с.
Дополнительные файлы
