Sustainability of the agroecosystem in the application of fertilizers and biopreparations

Full Text

В существующих экосистемах биосферная функция почв в основном связана с формированием биогеохимических циклов элементов питания – азота и углерода [1]. Исследование их особенно важно в агроэкосистемах, которые испытывают постоянное антропогенное воздействие в конкретных почвенно-климатических условиях [2]. Антропогенный фактор в агроэкосистеме реализуется в виде непосредственного воздействия на ее структуру, пищевые цепи, круговороты энергии и питательных веществ, в результате изменяются режимы в почве, численность и видовое разнообразие растений и микроорганизмов, а сама агроэкосистема приобретает ряд специфических характеристик, свойственных конкретному типу хозяйственной деятельности человека [3-5]. Экспериментальные исследования, оценивающие функционирование, состояние и устойчивость не только отдельных компонентов, но и в целом агроэкосистемы – немногочисленны и посвящены в основном вопросам загрязнения почв [6-10].

Цель настоящей работы – определить влияние удобрений и биопрепаратов ризосферных диазотрофов на использование растениями биологического азота, N удобрений и почвы, устойчивость агроэкосистемы.

Методика. Действие биопрепарата ризосферных диазотрофов на баланс азота и роль различных источников азотного питания растений в формировании урожая яровой пшеницы изучали в микрополевом опыте по схеме, представленной в табл. 1. Высевали инокулированные биопрепаратом ризосферных бактерий семена яровой пшеницы (Triticum aestivum L.) сорта Злата [11]. Микрополевой опыт проводили в 2014-2018 гг. в сосудах без дна площадью 0,018 м² на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве Смоленской области со следующими агрохимическими показателями: содержание гумуса (по Тюрину) – 1,98-2,04%; рН_KCl 5,1-5,2; содержание подвижных форм Р₂О₅ и К₂О (по Кирсанову) – соответственно 57,6-67,8 и 153,1-161,4 мг/кг почвы; повторность опыта – 4-кратная. Предшественником яровой пшеницы был картофель. Минеральные удобрения вносили при набивке сосудов почвой. В качестве азотного удобрения использовали меченое удобрение в виде соли ¹⁵NH₄¹⁵NO₃ с обогащением 54,04 ат.% в дозе 81 мг/сосуд, что соответствует 45 кг N/га. В качестве фона применяли суперфосфат двойной и хлористый калий в дозах Р₆₀К₆₀. Семена яровой пшеницы в день посева обрабатывали биопрепаратом Ризоагрин, созданным на основе штамма 204, относящегося к роду Agrobacterium radiobacter.

Для расчета баланса и потоков почвенного азота в системе почва – микроорганизмы – удобрения – растения – атмосфера использовали полученные с применением изотопа ¹⁵N данные, основываясь на пропорциональности в распределении меченого и минерализовавшегося почвенного азота [1, 12]. Расчеты проводили по формулам:

N_с = N_а · ¹⁵N_c : ¹⁵N_а;                            N_d = N_а · ¹⁵N_d : ¹⁵N_а;

М = N_а + N_b + N_с + N_d;                       Н-М = N_а + N_b + N_d;

РИ = М – Н-М,

где потоки азота: а – использование растениями, b – остаточный минеральный в почве, с – иммобилизованный, d – потери, М – минерализовавшийся, Н-М – нетто-минерализованный, РИ – реиммобилизованный.

Погодные условия различались по годам исследований. Большая часть вегетационного периода 2014 г. характеризовалась повышенной температурой воздуха и крайне неравномерным распределением атмосферных осадков с чередованием периодов засушливой погоды и выпадением ливневых осадков, гидротермический коэффициент (ГТК) составил 1,33. Вегетационный период 2015 г. по количеству осадков был засушливым с температурой воздуха выше среднемноголетнего значения, ГТК составил 0,64. В 2016 г. температура воздуха была на 1,0°С выше климатической нормы при значительном выпадении осадков, ГТК = 1,63. Вегетационный период 2017 г. отмечен недостаточным выпадением осадков при температуре выше климатической нормы, в 2018 г. – неравномерным распределением осадков – недостатком в мае, августе и существенным избытком в июле (267% к месячной норме) при среднемесячной температуре периода вегетации на 1,1°С выше климатической нормы, ГТК = 1,72.

Результаты и обсуждение. Определение концентрации общего азота в зерне и соломе позволило рассчитать его накопление, а изотопный анализ азота – установить его источники, участвующие в формировании урожая [5, 13]. На РК-фоне урожай яровой пшеницы (масса зерна + масса соломы) формировался только за счет почвенного азота. При внесении N-удобрения общий вынос азота урожаем, включающий азот почвы и азот удобрения, увеличился на 57% (табл. 1). Инокуляция семян Ризоагрином способствовала повышению накопления общего азота на 17% по сравнению с РК-фоном и на 4,5% – коэффициента его использования растениями из N-удобрения на формирование урожая. При внесении N-удобрения в результате деятельности почвенных микроорганизмов происходят процессы минерализации органического вещества, приводящие к образованию «экстра»-N [5, 14], который также используется растениями на формирование урожая. Применение изотопа ¹⁵N позволило вычленить долю «экстра»-N, который составляет 13% при внесении N-удобрения и 12% – N-удобрения + ризоагрин от общего выноса.

 

Табл. 1. Потребление азота удобрений и почвы яровой пшеницей

Вариант	Общий вынос, г/м2	В том числе N				Допол-нительный N		КИАУ
		удобрения		почвы
		г/м2	%	г/м2	%	г/м2	%	%
Р60К60 (фон)	5,3	–	–	5,3	100	–	–	–
Фон + N45	8,3	1,9	23	6,4	77	1,1	13	42,2
Фон + Ризоагрин	6,4	–	–	6,4	100	1,1	17	–
Фон + N45+ Ризоагрин	9,4	2,1	22	7,3	78	2,0	21	46,7
*КИАУ – коэффициент использования азота удобрений.

 

За счет инокуляции семян Ризоагрином доля дополнительного азота в формировании урожая пшеницы достигла 17%, а при посеве инокулированными биопрепаратом семенами на фоне N-удобрения – 21%.

Одна из важных задач исследования состояла в определении размеров ассоциативной азотфиксации в посевах культурного растения. Применение модифицированного разностного метода с использованием ¹⁵N в удобрениях позволило вычислить количество азота, фиксированного Agrobakterium radiobakter (штамм 204) (Ризоагрин) в дерново-подзолистой почве. В среднем инокуляция семян биопрепаратом в посевах яровой пшеницы обеспечила фиксацию 1,1 г/м² азота воздуха. Применение азотных удобрений существенно не влияло на уменьшение размеров использования ассоциативного азота (0,9 г/м²).

Баланс азота применяемых удобрений (табл. 2) в среднем за годы исследований складывался следующим образом. Растения яровой пшеницы использовали около 42% азота аммиачной селитры. В слое почвы 0-20 см иммобилизовалось 29% NH₄NO₃. Существенной статьей баланса азота являются его потери. Потери азота из почвы в газообразной форме и при вымывании в нижележащие слои – основная причина снижения коэффициента использования азота растениями и эффективности удобрений во всех климатических зонах страны [5, 14, 15]. В нашем опыте неучтенные потери азота удобрений при вымывании в нижележащие слои почвы и газообразные потери (молекулярный азот, его окислы и аммиак) составили 31%.

 

Табл. 2. Баланс азота удобрений при выращивании яровой пшеницы

Вариант	Использовано растениями N	Закреплено в слое почвы 20 см	Потери из слоя почвы 20 см
Р60К60 + N45	1,9/42,2	1,2/26,7	1,4/31,1
Р60К60 +N45+Ризоагрин	2,1/46,7	1,3/28,9	1,1/24,4

 

При инокуляции семян Ризоагрином на 4,5% возрастало использование азота из N₄₅ на формирование урожая яровой пшеницы, почти не изменялось его закрепление в 20-сантиметровом слое почвы и снижались с 31 до 24% потери азота, относящиеся преимущественно к газообразным формам [5, 16].

Системный анализ трансформации почвенного азота выявил, что режим функционирования агроэкосистемы при применении удобрений и Ризоагрина зависит от сбалансированности потоков нетто-минерализованного (Н–М) и (ре)иммобилизованного (РИ) азота в пуле минерализованного азота почвы (М). В результате исследований с применением изотопа ¹⁵N выявлены потоки азота удобрения и почвы (табл. 3). За вегетацию количество минерализованного почвенного азота составило 17,4 г/м², при этом содержание реиммобилизованного азота – 4,3 г/м². Инокуляция семян биопрепаратом существенно не влияла на процессы минерализации и реиммобилизации, отмечена только положительная тенденция их усиления (3,5% минерализации и 14,0% иммобилизации).

 

Табл. 3. Показатели интегральной оценки функционирования системы почва-растение при выращивании яровой пшеницы

Показатель	Р60К60 + N45
	без инокуляции	инокуляция
Минерализованный азот, г/м2	17,4	18,0
Нетто-минерализованный азот, г/м2	13,1	13,1
Реиммобилизованный азот, г/м2	4,3	4,9
РИ : М, %	24,7	27,2
Н – М : РИ	3,0	2,7

 

Использование интегральной оценки показало, что на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве агроэкосистема функционирует в режиме резистентности (уровень воздействия – предельно допустимый) при применении аммиачной селитры (РИ : М = 25%, Н – М : РИ = 3,0), в то время как при использовании Ризоагрина отмечена только тенденция повышения ее устойчивости.

На устойчивость агроэкосистемы при использовании удобрений оказывают действие метеорологические условия во время выращивания яровой пшеницы. Устойчивость агроэкосистемы, или ее способность сохранять структуру и функции (показатель РИ : М, %) в изменяющихся метеорологических условиях при внесении азотного удобрения, была выше при оптимальных температуре воздуха и влажности (ГТК =1,0-1,2). Как засушливые (ГТК < 0,9), так и влажные (ГТК > 1,6) погодные условия снижали устойчивость агроэкосистемы, что подтверждается уравнением регрессии – сильной по тесноте связи и криволинейной по форме:

Y = -27,348х²+47,768х+15,352, r_yx = 0,82,   (1)

где Y – отношение реиммобилизованного азота к количеству минерализованного, %; х – ГТК за вегетацию; r_yx – коэффициент корреляции; n = 9.

При инокуляции семян Ризоагрином и применении N₄₅ зависимость сильно не изменялась:

Y = -28,731х²+52,874х+11,612, r_yx = 0,86. (2)

Таким образом, формирование биомассы яровой пшеницы на дерново-подзолистой почве осуществляется в основном за счет почвенного азота, доля которого достигает 4/5 общего выноса элемента при применении минеральных удобрений, участие «экстра»-N в продукционном процессе ограничено (13% от общего выноса). Дополнительное использование азота яровой пшеницей в этих условиях за счет инокуляции семян биопрепаратом Ризоагрин составляет 9-11 кг/га.

Режим функционирования агроэкосистемы при применении азотного удобрения и Ризоагрина зависит от сбалансированности потоков нетто-минерализованного и (ре)иммобилизованного азота в почве. На дерново-подзолистой легкосуглинистой почве агроэкосистема функционирует в режиме резистентности (предельно допустимый).

Функционирование агроэкосистемы при внесении азотного удобрения существенно варьирует при изменении метеорологических условий в период вегетации. В засушливых и влажных погодных условиях ее устойчивость снижается, что подтверждается уравнением регрессии – сильной по тесноте связи и криволинейной по форме (r_yx = 0,82, t_η > t_т).

About the authors

A. A. Alferov

Vserossijskij nauchno-issledovatel`skij institut agroximii im. D.N. Pryanishnikova

Author for correspondence.
Email: alferov72@yandex.ru

candidate of agricultural sciences

Russian Federation, 127550, Moskva, ul. Pryanishnikova, 31 a

L. S. Chernova

Vserossijskij nauchno-issledovatel`skij institut agroximii im. D.N. Pryanishnikova

Email: alferov72@yandex.ru

candidate of agricultural sciences

Russian Federation, 127550, Moskva, ul. Pryanishnikova, 31 a

References

Supplementary files