The consumption of nitrogen of perennial legume-grass mixture on the second year of life (study with 15n)

Cover Page

Abstract


On the eroded sod-podzolic soil of the drive-separated part of the slope in the 3rd rotation of the crop rotation, the consumption of nitrogen fertilizer by herbs increases by 20%, soil nitrogen by 67%, and symbiotic by 23% compared to its lower part. This reduces the immobilization of nitrogen fertilizer, and increase its gaseous losses. Localization of nitrogen fertilizer increases grass consumption of nitrogen fertilizer by 14%, soil nitrogen by 7-10% and symbiotic nitrogen by 26-53% compared to the scattered method of its application. With local application of nitrogen fertilizer grass better (1.1-1.2 times) use nitrogen fertilizer, it is more (1.1-1.2 times) is fixed in the soil and less (1.6-2.6 times) is lost in the form of gaseous compounds compared to the scattered method of its application. This increases the productivity of herbs by 6-11%, the content of raw protein in the phytomass by 0.3-1.1% and reduces the amount of nitrates by 7-16%.


Full Text

В условиях эрозионного ландшафта многолетние бобово-злаковые травы выполняют важные экологические функции [1,2]. Травы первого и второго года жизни вследствие различного количественного состава агрофитоценоза играют неодинаковую роль в круговороте веществ агроэкосистемы [3-5], вместе с тем процессы минерализации – иммобилизации азота в почве под бобово-злаковыми травами разного возраста изучены недостаточно [6]. Различные виды трав используют неодинаковое количество азота удобрения: в одновидовом травостое клевер – 42-46%, тимофеевка – 36-66% применяемой дозы азота удобрения. В смешанном посеве многолетних злаковых трав (тимофеевка, кострец) растения потребляли 26-78% азота удобрения [3,6]. Иммобилизация и минерализация азота удобрения тесно связана с азотфиксацией бобового компонента трав, однако, она остается слабоизученной.

Цель работы – определить размеры потребления азота удобрения, азота почвы и симбиотического азота многолетними бобово-злаковыми травами второго года жизни в третьей ротации севооборота на эродированной дерново-подзолистой почве.

Методика. В 2000 г. в Смоленском научно-исследовательском институте сельского хозяйства на делянках длительного стационарного опыта в варианте (1N 1P 1K) в начале третьей ротации 5-польного севооборота (1 – озимая рожь, 2 – овес, 3 – ячмень с подсевом травосмесей, 4 – травосмеси 1-го года жизни, 5 – травосмеси 2-го года жизни) был заложен микрополевой опыт с сульфатом аммония, обогащенным тяжелым изотопом азота 15N (20 ат. %). Почва  – дерново-подзолистая среднесуглинистая на карбонатом моренном суглинке слабо- (приводораздельная часть склона 2-30) и среднесмытая (нижняя часть склона 5-70). Содержание физической глины составляет 32-34%. Агрохимическая характеристика пахотных слоев этих почв представлена следующими показателями: рНсол. 5,7 и 6,1; Нr (По Каппену) – 1,18 и 0,8 ммоль/100г почвы, содержание обменных Са2+ –  5,5 и 6,0 ммоль/100 г почвы и Mg2+ – 2,0 и 2,2 ммоль/100г почвы; гумуса – 2,1 и 0,8%; Nобщ.– 0,09 и 0,07%; подвижного фосфора – 137 и 187 мг/кг почвы и обменного калия – 138 и 167 мг/кг почвы (по Кирсанову).

Микрополевой опыт (размер делянки – 0,5х1,0 м) размещен на склоне ЮВ экспозиции. Длина склона – 300 м, повторность – 4-кратная, с 15N – 2- кратная. Ширина защитных полос между микроделянками – 0,5 м. Азотное удобрение (Na) вносили в дозе 30 кг/га двумя способами: вразброс и локально на глубину 10 см лентой. Перед закладкой опыта проведено известкование из расчета полной нормы гидролитической кислотности.

Содержание общего азота в почвенных и растительных образцах определяли по методу Кьельдаля – Йольдбауэра, изотопный состав азота – на масс-спектрометре Delta Advantage (ФРГ).

Метеорологические условия для произрастания многолетних травосмесей 2-го года жизни в третьей ротации севооборота с 15N в 2015 г. были не- благоприятными. Гидротермический коэффициент (ГТК) составил 0,9 к среднемноголетнему 1,7. Сумма осадков составила 100 мм при норме 181 мм, а температура воздуха была выше в 1,0 раза по сравнению со средним многолетним значением.

Результаты и обсуждение. Особенность многолетних бобово-злаковых трав 2-го года жизни (2-го г.ж.): клевер луговой, тимофеевка луговая – существенное сокращение (в 2,6 раза) доли клевера вследствие его выпадения в осенне-зимне-весенний период, в результате в травосмеси уменьшается доля симбиотического азота и увеличивается доля азота удобрения и почвенного азота [4].

Потребление азота травами 2-го г.ж. в третьей ротации севооборота зависело от элемента склона и способа применения азотного удобрения (табл. 1). В засушливый 2015 г. травы использовали такое же количество азота удобрения и значительно меньше почвенного азота по сравнению с первой и второй ротациями. В приводораздельной части склона при локальном внесении азотного удобрения травы потребляли больше азота удобрения на 20%, азота почвы – на 67% и симбиотического азота – на 23%, чем в нижней части склона. Азотное удобрение, внесенное локально, повышало потребление растениями азота удобрения на 14%, азота почвы – на 7-10%,  симбиотического азота – на 26-53% по сравнению с разбросным способом применения. Локализация азотного удобрения усиливала потребление дополнительного количества почвенного азота на 19-25% на обеих частях склона.

 

Табл. 1. Потребление азота удобрения, азота почвы и симбиотического азота многолетними бобово-злаковыми травами в зависимости от элемента склона и способа внесения азотного удобрения

Вариант

Вынос азота, г/м2

N удобрения

N почвы

N симбиотический, г/м2

г/м2

КИАУ*, %

г/м2

экстра-азот, г/м2

Приводораздельная часть склона, 2-30

Р30К30 – фон

5,69

 

 

3,49

 

2,20

Фон + 15N30 вразброс

11,45

1,46

48,6

5,91

2,42

4,08

Фон + 15N30 локально

14,42

1,66

55,3

6,52

3,03

6,24

Нижняя часть склона, 5-70

Р30К30 – фон

3,77

 

 

2,31

 

1,46

Фон + 15N30 вразброс

8,89

1,21

40,3

3,64

1,33

4,04

Фон + 15N30 локально

10,35

1,38

46,0

3,89

1,58

5,08

* КИАУ – коэффициент использования азота удобрения.

        

 

При выращивании многолетних бобово-злаковых трав 2-го г.ж. на равнинных участках баланс азота удобрения складывается следующим образом: используется растениями 22-50%, иммобилизация в почве – 40-45% и теряется в виде газообразных соединений 10-33% применяемой дозы [6]. Потребление азота удобрения травами, иммобилизация его в почве снижались, а газообразные потери увеличивались от приводораздельной части склона к нижней его части при обоих способах применения удобрения (табл. 2). В засушливых условиях периода вегетации трав 2-го г.ж. уменьшались иммобилизация азота удобрения в почве и его газообразные потери по сравнению с травами первой ротации севооборота. Снижение иммобилизации азота удобрения на второй год жизни многолетних бобово-злаковых трав связано прежде всего с изменением структуры агрофитоценоза [7-12]. При локализации азотного удобрения эти травы лучше (в 1,1-1,2 раза) использовали азот удобрения, при этом его больше (в 1,1-1,2 раза) закреплялось в почве и меньше (в 1,6-2,6 раза) терялось в виде газообразных соединений, чем  при разбросном способе применения. В нормальных условиях вегетации под травами 2-го г. ж. иммобилизация азота удобрения оказалась выше, поскольку они относятся к медленному типу разложения (при более высоком соотношении С:N=28-29:1) [13-16].

 

Табл. 2. Потоки и баланс азота удобрения при выращивании многолетних бобово-злаковых трав на различных элементах склона в зависимости от способа внесения азотного удобрения

Вариант

Использовано растениями

Закреплено в слое почвы 100 см

Газообразные потери

1*

2

1

2

1

2

Фон + 15N30

вразброс

1,46

49

1,21

40

1,06

33

0,83

25

0,54

18

0,96

35

Фон + 15N30

локально

1,66

55

1,38

46

1,13

37

1,03

34

0,21

8

0,59

20

Примечание. 1 – приводораздельная часть склона, 2-30, 2 – нижняя часть склона, 5-70; азот удобрения: над чертой – г/м2, под чертой – доля от применяемой дозы, %.

 

Снижение потребления азота травами на нижней части склона вызывало уменьшение их продуктивности на 22-47% по сравнению с приводораздельной частью склона (табл. 3).  Самый высокий урожай фитомассы травы формировали при локальном применении азотного удобрения на приводораздельной части склона. Локализация азотного удобрения повышала продуктивность трав на 11% в приводораздельной части склона и на 6% в нижней его части по сравнению с разбросным способом его применения.

Качество фитомассы бобово-злаковых трав зависит от года выращивания, технологии возделывания и погодных условий [17]. Содержание сырого белка в фитомассе трав в нижней части склона снижалось на 12-22%, а количество нитратов повышалось на 7-16% по сравнению с приводораздельной его частью (табл. 4). Наибольшее количество сырого белка в фитомассе трав содержалось при локальном применении азотного удобрения: выше на 1,2% в приводораздельной части склона и на 1,9% в нижней его части по сравнению с фоном. От локализации азотного удобрения количество сырого белка в фитомассе повышалось на 1,1% в верхней части склона и на 0,3% – в нижней по сравнению с разбросным способом применения.

Содержание NO3 в фитомассе трав под действием азотного удобрения увеличивалось на 4-11% в верхней части склона и на 4-20%  – в нижней (табл. 4). При локальном применении азотного удобрения величина этого показателя снижалась на 7% в верхней части склона и на 16% – в нижней  части склона по сравнению с разбросным способом его применения. Таким образом, азотное удобрение, внесенное локально, сдвигает направленность обмена веществ в биомасссе многолетних бобово-злаковых трав 2-го г.ж. в сторону синтеза белковых веществ за счет использования небелковых азотистых соединений.

 

Табл. 3. Продуктивность многолетних бобово-злаковых трав на различных элементах склона в зависимости от способа внесения азотного удобрения (3-я ротация)

Вариант

Урожайность, г/м2

Прибавка урожая

Прибавка от локализации удобрений

г/м2

%

г/м2

%

Приводораздельная часть склона, 2-30

Р30К30  – фон

407

-

-

-

-

Фон + 15N30 вразброс

777

370

91

-

-

Фон + 15N30 локально

863

456

112

86

11

Нижняя часть склона, 5-70

Р30К30 – фон

266

-

-

-

-

Фон + 15N30 вразброс

603

337

127

-

-

Фон + 15N30 локально

641

375

141

38

6

Р,%                                                         3,0

НСР0,5 частных средних, г/м2                42

НСР0,5 рельеф, г/м2                                               24

НСР0,5 удобрения, г/м2                               30

 

Табл. 4.  Содержание сырого белка и нитратов в фитомассе многолетних бобово-злаковых трав

Вариант

Содержание

сырой белок, %

NO3,- мг/кг

Приводораздельная часть склона, 2-30

Р30К30 – фон

20,7

101

Фон + 15N30 вразброс

20,8

112

Фон + 15N30 локально

21,9

105

Нижняя часть склона, 5-70

Р30К30 – фон

17,0

107

Фон + 15N30 вразброс

18,6

127

Фон + 15N30 локально

18,9

111

Таким образом, для многолетних бобово-злаковых трав второго года жизни характерно существенное снижение доли клевера в агрофитоценозе. В 2015 г. в засушливых условиях третьей ротации севооборота с 15N в на эродированной дерново-подзолистой почве приводораздельной части склона потребление азота удобрения травами повышается на 20%, азота почвы – на 67%, симбиотического азота – на 23% по сравнению с нижней его частью. При этом снижается иммобилизация азота удобрения и повышаются его газообразные потери. Локализация азотного удобрения увеличивает потребление травами азота удобрения на 14%, азота почвы – на 7-10% и симбиотического азота – на 26-53% по сравнению с разбросным способом применения. При локальном внесении азотного удобрения травы лучше (в 1,1-1,2 раза) используют азот удобрения, его больше (в 1,1-1,2 раза) закрепляется в почве и меньше (в 1,6-2,6 раза) теряется в виде газообразных соединений, чем при  разбросном способе. Повышается продуктивность трав на 6-11%, содержание сырого белка в фитомассе – на 0,3-1,1%  снижается количество нитратов на 7-16%.

About the authors

N. Ya. Shmyreva

Pryanishnikov - Institute of Agrochemistry

Author for correspondence.
Email: okcana79vniia@mail.ru

Russian Federation, Moskva, ul. Pryanishnikova, 31a

candidate of biological sciences

A. A. Zavalin

Pryanishnikov - Institute of Agrochemistry

Email: okcana79vniia@mail.ru

Russian Federation, Moskva, ul. Pryanishnikova, 31a

academician of RAS

O. A. Sokolov

Pryanishnikov - Institute of Agrochemistry

Email: okcana79vniia@mail.ru

Russian Federation, Moskva, ul. Pryanishnikova, 31a

doctor of biological sciences

V. A. Litvinsky

Pryanishnikov - Institute of Agrochemistry

Email: okcana79vniia@mail.ru

Russian Federation, Moskva, ul. Pryanishnikova, 31a

candidate of biological sciences

References

  1. Каштанов А.Н., Явтушенко В.Е. Агроэкология почв склонов. –М.: Колос, 1997. – 239 с.
  2. Явтушенко В.Е., Цуриков Л.Н., Шмырева Н.Я. Использование азота многолетним бобово-злаковым травостоем из профиля дерново-подзолистой почвы в эрозионном рельефе // Агрохимия. – 2006. – №1.– С.1-7.
  3. Явтушенко В.Е., Цуриков Л.Н., Шмырева Н.Я. Использование многолетней бобово-злаковой травосмесью азота удобрений в зависимости от срока их внесения, рельефа и сроков обработки почвы // Агрохимия. – 2005. – №1. – С.1-8.
  4. Соколов О.А., Шмырева Н.Я., Цуриков Л.Н. Изменение параметров потоков симбиотического азота при выращивании многолетних трав на склонах // Плодородие. – 2010. – №4. – С. 4-6.
  5. Шмырева Н.Я., Соколов О.А, Завалин А.А., Черников В.А. Баланс азота при выращивании многолетних бобово-злаковых трав на склоне // Плодородие. – 2016. – №2. – С.43-45.
  6. Завалин А.А., Соколов О.А. Потоки азота в агроэкосистеме: от идей Д.Н. Прянишникова до наших дней. – М.: ВНИИА, 2016. – 591 с.
  7. Jensen L.S., Salo T., Palmason F. Jnfluence of biochemical quality on C and N mineralization from a broad variety of plant materials in soils// Plant and Soil. – 2005. – V.273. – №1-2. – P. 307-326.
  8. Pardo L.H., Templer P.H., Goodate C.L. Redional assessment of N saturation using foliar and root delta 15N // Biogeochemistry. – 2006. – V. 80. – P.143-171.
  9. Kahman A., Wanek W., Buchmann N. Foliar delta 15N values characterize soil N cycling and refleet nitrate or ammonium preference of plants along a temperate grassland // Oecologia. – 2008. – V. 158. – P.371-381.
  10. Kriszan M., Amelung W., Schellberg J. Long-term changes of the delta N-15 natural abundance of plants and soil in a temperate grassland// Plant and Soil. – 2009. – V. 325. – P. 157-169.
  11. Rascher K.G., Hellmann C., Magus C. Community scale 15N isoseapes: traeing the spatial impact of an exotic N2 fixing invader. // Ecology Letters. – 2012. – V. 15. – P. 484-491.
  12. Jnselsbacher E., Wanek W., Strauss J. A novel 15N tracer model reveals: plant nitrate doverns nitrogen transformation rates in agriculture soils // Soil Biol. Biochem. – 2013. – V. 57. – P. 301-310.
  13. Осипов А.И., Соколов О.А. Экологическая безопасность и устойчивое развитие. Кн.4. Роль азота в плодородии почв и питании растений. – С-Пб:,2001а. – 360 с.
  14. Schon N.L., Mackay A.D., Hedley M.J. Jnfluence of soil faumal communites on rutrogen dymamics in legume-based mesocosms // Soil Research. – 2011. – V. 49. – P. 190-201.
  15. Denk T.R.A., Mohn J., Decock C. The nitrogen cycle: A revien of isotope effects and isotope modeling approaches // Soil Biol Biochem. – 2017. – V. 105. – P. 121-137.
  16. Praveen-Kumar, Jagadish C. Tarafdar, Jitendra Panwar, Shyam Kathju. A rapid method for assessment of plant residue quality // J. Plant Nutrition and Soil Sci. – 2003. – V. 166. – № 5. – Р. 662-666.
  17. Черников В.А., Соколов О.А. Экологически безопасная продукция. -М.: Колос, 2009. – 438с.

Statistics

Views

Abstract - 120

PDF (Russian) - 54

Cited-By


PlumX

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2019 Russian academy of sciences

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies