Influence of Cultivated Crops and Fertilizers on Soil Respiration (Long-Term Field Experiment of Timiryazev Agricultural Academy)

全文:

ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

Дыхание почвы, или эмиссия СО ₂ из почвы, – один из важнейших потоков в цикле углерода, направленных из экосистем в атмосферу, а также один из ключевых показателей здоровья и плодородия почвы (Ward et al., 2017). Этой теме посвящено множество исследований, но даже после двух десятилетий ее изучения, несмотря на несомненные успехи, остается много неопределенностей (Bond-Lamberty et al., 2024).

Дыхание почвы состоит преимущественно из дыхания корней (автотрофного) и дыхания микроорганизмов (гетеротрофного). Дыхание корней предопределяется корневой биомассой и скоростью переноса продуктов фотосинтеза из листьев. Дыхание микроорганизмов является результатом процессов разложения, которые зависят от количества и качества органических соединений, популяционной динамики различных групп микроорганизмов и физико-химических свойств почвы, включая ее влажность, температуру, снабжение кислородом, кислотность и окислительно-восстановительный потенциал (Rochette and Hutchinson, 2005).

В агроценозах дыхание пахотных почв определяется как природными, так и антропогенными факторами. Среди ключевых факторов, помимо температуры почвы и воздуха, влажности почвы, исследователи называют содержание органического углерода в верхнем слое почвы, которое в некоторых случаях объясняет более 90% дисперсии ее дыхания (Li et al., 2019). К важным факторам, определяющим почвенное дыхание, также относятся содержание аммонийного и аммиачного азота (Sosulski et al., 2021), глубина почвенных горизонтов, крутизна склона, доля илистой фракции (Adhikari et al., 2023). Среди антропогенных факторов следует особенно отметить внесение удобрений; оно приводит к увеличению разнообразия состава почвенного бактериального сообщества и, как следствие, к усилению ее дыхания (Wang et al., 2022), но временной эффект продолжается не более двух недель, после чего уровень дыхания снижается до исходных значений (Kulachkova et al., 2023). Внутрисезонная динамика эмиссии СО ₂ из пахотных почв также зависит от стадии роста растений, ширины междурядий и обработки почвы, поскольку вспашка из-за перемешивания слоев почвы способствует усилению разложения растительных остатков и, соответственно, эмиссии диоксида углерода (Zapata et al., 2021).

Учесть все многообразие названных факторов в реальных производственных условиях и их влияние на почвенное дыхание – чрезвычайно трудоемкая задача, поэтому подобные идеи могут быть реализованы только в рамках длительных полевых опытов (Ward et al., 2017), которые могут воссоздать полнофакторный эксперимент. На сегодняшний день в мире насчитывается 14 длительных полевых опытов, возраст которых превышает 100 лет. Старейшему из них – Ротамстеду (Англия) – уже более 180 лет, а возраст Гриньона (Франция), Иллинойса (США) и Галле (Германия) приближается к 150 годам (Мазиров, Арефьева, 2012). Изначально они создавались для того, чтобы на компактной территории оценить влияние природных (погодные условия, характеристики почвенного покрова, водный режим) и антропогенных (внесения удобрений, мелиорации, севооборота, подбора сортов, агротехники) факторов на урожайность культур и сохранение почвенного плодородия. Сегодня в опытах изучают влияние таких факторов, как разные варианты удобрений (Cerhanová et al., 2006), влияние севооборота и бессменных посевов (Завьялова и др., 2020; Sosulski et al., 2021), вспашка и система нулевой обработки (Gelybó et al., 2022).

Длительные опыты дают возможность отбирать полевые образцы для оценки характеристик растений и почвы, особенно для изучения тех свойств, изменения которых происходят медленно и влияют на плодородие. Архивные материалы являются бесценным источником информации для будущих исследований, а также для построения моделей, описывающих процессы, происходящие в системе “почва–растение” (Johnston and Poulton, 2018). Несмотря на то, что длительные опыты достаточно дороги и требуют многолетней логистической поддержки, они, тем не менее, являются наиболее экономически эффективным методом исследования, поскольку полученные научные знания позволяют не только повысить урожайность и качество продукции, но и снизить негативное воздействие сельского хозяйства на окружающую среду, поддержать качество почвы и сохранить природные ресурсы (Körschens, 2006).

В рамках нашего исследования была поставлена цель определить влияние двух важнейших факторов – вида возделываемой культуры и типа вносимых удобрений – на дыхание пахотной почвы.

ДАННЫЕ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Объектом исследования выступал Длительный полевой опыт Тимирязевской сельскохозяйственной академии (ТСХА). Он заложен в 1912 г. профессором А.Г. Дояренко с целью оценки влияния типа вносимых удобрений, наличия практики известкования и севооборота на урожайность сельскохозяйственных культур (Мазиров, Сафонов, 2010). Площадь участка составляет 1.5 га, площадь учетной делянки 50 м ² . Опыт разделяется на две части – бессменные посевы и севооборот. Схема чередования культур: черный пар–озимая рожь–картофель–ячмень–клевер–лен.

Поперек полей наложены варианты удобрений (9 вариантов в севообороте и 11 вариантов на бессменных посевах): N, P, K, 0 (без удобрений), NP, NK, PK, NPK + навоз, NPK и дополнительно на бессменных посевах навоз и 0. С 1973 г. на всех делянках четных полей севооборота вносят полное минеральное удобрение NPK (и учитывается последействие вносимых ранее вариантов удобрений), а варианты дифференцированного удобрения сохраняются только на нечетных полях. Дозы удобрений за более чем 100-летний период также неоднократно менялись, и на сегодняшний день они составляют 100 кг N/га в виде аммиачной селитры, 150 кг P/га в виде двойного суперфосфата, 120 кг K/га в виде хлористого калия, а также 20 т/га навоза. На продольной половине каждой делянки производится известкование почвы один раз за ротацию по величине гидролитической кислотности (4.5 т/га), вносится доломитизированный известняк (Мазиров, Сафонов, 2010). Последний раз известкование проводилось осенью 2022 г.

Почвы участка старопахотные, находятся под пашней более 200 лет. Несмотря на небольшую площадь Опыта, его почвенный покров довольно пестрый и представлен тремя типами почв (Хитров, 2012): агродерново-подзолистыми Stagnic Cutanic Albeluvisol (Siltic, Eutric, Ruptic), агродерново-подзолами иллювиально-железистыми Stagnic Albic Podzol (Siltic, Eutric, Ruptic), агроземами Haplic Regosol (Siltic, Eutric). Причем первый тип преимущественно встречается на бессменных посевах, а второй и третий – на территории севооборота. Мощность антропогенно преобразованного поверхностного горизонта, который когда-либо подвергался механической обработке, варьирует от 25 до 55 см (Хитров, 2012).

Для проведения измерений была выбрана территория севооборота, как самая близкая к реальным производственным условиям, и подобраны наиболее значимые для Нечерноземья культуры – озимая рожь, ячмень и картофель, а также чистый пар. Следует отметить, что в 2023 г. картофель и чистый пар попали на четные поля, где нет разделения по вариантам удобрений, и на все делянки вносится полное минеральное удобрение N ₁₀₀ P ₁₅₀ K ₁₂₀ , а озимая рожь и ячмень попали на нечетные поля, где удобрения вносятся по девяти вариантам. Из них были выбраны три контрастных: полное минеральное удобрение (вариант N ₁₀₀ P ₁₅₀ K ₁₂₀ , далее по тексту NPK), сочетание минеральных и органических (вариант N ₁₀₀ P ₁₅₀ K ₁₂₀ + навоз 20 т/га, далее по тексту NPK + навоз) и вариант без удобрений. Таким образом, всего анализировалось 12 делянок, все с внесением извести (рис. 1).

 

Рис. 1. Схема Длительного полевого опыта Тимирязевской сельскохозяйственной академии (ТСХА) с расположением исследуемых делянок в 2023 г.

 

Измерения проводились с мая 2023 г. по апрель 2024 г. с периодичностью раз в две недели в вегетационный период и раз в месяц в период оголенной почвы в пятикратной повторности на каждой делянке. Значимым рубежом между сезонами была признана вспашка: в вегетационный период (май–сентябрь) осреднение проводилось как по культурам, так и по вариантам удобрений; а после вспашки (октябрь–апрель) осреднение выполнялось только по вариантам удобрений, поскольку почва была перемешана между участками с разными культурами. Общий объем выборки составил 108 осредненных значений за вегетационный период и 24 осредненных значения за период с оголенной почвой.

Измерения эмиссии СО ₂ из почвы проводились по единой стандартизированной методике (Курганова и др., 2024). Применялся метод закрытых динамических камер, использовались портативные инфракрасные СО ₂ -анализаторы на основе датчика AZ 77535 (AZ Instruments, Тайвань), модифицированные для полевых работ (патент 174321 U1). На каждой делянке устанавливались пять непрозрачных цилиндрических ПВХ-камер площадью 90 см ² и высотой 20 см: для озимой ржи и ячменя в междурядьях, для картофеля на вершинах гребней, на чистом пару в случайно выбранных точках. Одновременно оценивалась температура воздуха и температура почвы на глубинах 5 и 10 см (HI 98509, Hanna Instruments, США), а также объемная влажность почвы (SM 150 Kit, Delta-T, Великобритания).

В июле на каждой делянке отбирались смешанные пробы почвы из слоя 0‒20 см. В них после высушивания, просеивания и обработки соляной кислотой определялось содержание органического углерода (С _орг ) и общего азота (N _общ ) с помощью элементного CHNS-анализатора Vario EL Cube (Elementar, Германия) на базе Центра коллективного пользования “Лаборатория радиоуглеродного датирования и электронной микроскопии Института географии РАН”. Дополнительно измерялся водный рН почвенных образцов (HI 98121, Hanna instruments, США).

Статистическая обработка результатов проводилась в программе PAST (Hammer et al., 2001). Использовались следующие методы:

• корреляционный анализ (коэффициент корреляции Пирсона, уровень значимости p = 0.05) для оценки зависимости скорости дыхания почвы от гидротермических показателей среды (температура воздуха и почвы, объемная влажность почвы, рН);
• множественное сравнение с помощью критерия Манна-Уитни (с последовательной поправкой Бонферрони; уровень значимости p = 0.05) для сопоставления скорости дыхания почвы под разными культурами и вариантами удобрений. Этот метод был применен ввиду того, что рассматривались небольшие выборки с разными групповыми дисперсиями;
• перестановочный двухфакторный дисперсионный анализ (two-way PERMANOVA) для разделения и оценки значимости влияния двух факторов на дыхание почвы – возделываемой культуры и вносимых удобрений (применен только для вегетационного сезона; уровень значимости p = 0.05).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Анализ по делянкам. Графический анализ дыхания почвы на 12 целевых делянках (рис. 2) показывает, что для каждой из них характерен достаточно большой разброс значений. Тем не менее дисперсии пересекаются, а уровни медиан расположены относительно близко друг к другу (0.063‒0.178 г С м ^–2 ч ^–1 ), независимо от вариантов вносимых удобрений; средние значения чаще всего больше медиан (0.074‒0.253 г С м ^–2 ч ^–1 ). Исключение составляет озимая рожь в варианте NPK + навоз (в среднем 0.430 г С м ^–2 ч ^–1 ), где эмиссия СО ₂ из почвы существенно превышает значения в других ценозах.

 

Рис. 2. Дыхание почвы в вегетационный период с разделением по делянкам.

 

Попарное непараметрическое сравнение показывает, что дыхание почвы в вегетационный период на большинстве делянок с различными культурами и удобрениями действительно не отличается друг от друга: из 66 сравниваемых пар значимая разница была отмечена только для 21 пары, т.е. менее, чем для трети (табл. 1). Наибольшее количество отличий, как и ожидалось, было получено для дыхания почвы под озимой рожью в варианте NPK + навоз. Немного меньшее количество отличающихся пар (по пять) отмечено для эмиссии СО ₂ в агроценозах ячменя в варианте NPK + навоз, а также для картофеля при сплошном внесении NPK с различным последействием. И наоборот, практически полное совпадение эмиссии СО ₂ из почвы со всеми другими делянками наблюдалось для ячменя в вариантах NPK и без удобрений, а также для чистого пара при сплошном внесении NPK.

 

Таблица 1. Результаты попарного сравнения дыхания почвы на исследуемых делянках в вегетационный период

Культура

Вариант удобрений

NPK с последействием разных вариантов удобрений

Разные варианты удобрений

Чистый пар

Картофель

Ячмень

Озимая рожь

NPK (б ез удобрений )

NPK ( NPK )

NPK ( NPK + + навоз )

NPK (б ез удобрений )

NPK ( NPK )

NPK ( NPK + + навоз )

Без удобрений

NPK

NPK + + навоз

Без удобрений

NPK

NPK + + навоз

Чистый пар

NPK (б ез удобрений )*

–

0.427

0.133

0.999

0.930

0.480

0.736

0.360

0.038

0.064

0.112

0.004

NPK ( NPK )

–

–

0.566

0.112

0.085

0.480

0.336

0.962

0.061

0.427

0.233

0.010

NPK ( NPK + навоз )

–

–

–

0.034

0.019

0.216

0.149

0.665

0.269

0.825

0.401

0.027

Картофель

NPK (б ез удобрений )

–

–

–

–

0.724

0.330

0.885

0.163

0.003

0.004

0.002

0.001

NPK ( NPK )

–

–

–

–

–

0.289

0.885

0.163

0.002

0.003

0.004

0.001

NPK ( NPK + навоз )

–

–

–

–

–

–

0.596

0.665

0.024

0.093

0.052

0.003

Ячмень

Без удобрений

–

–

–

–

–

–

–

0.344

0.031

0.092

0.075

0.006

NPK

–

–

–

–

–

–

–

–

0.128

0.361

0.163

0.011

NPK + навоз

–

–

–

–

–

–

–

–

–

0.248

0.413

0.178

Озимая рожь

Без удобрений

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

0.331

0.022

NPK

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

0.034

NPK + навоз

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

Примечания: 1) представлены величины уровня значимости р для критерия Манна-Уитни. Значимые отличия ( р < 0.05) выделены красным; 2) * в скобках указаны варианты удобрений, которые были на этих делянках до 1973 г., последействие которых учитывается.

 

Получены сильные положительные корреляции эмиссии СО ₂ из почвы с гидротермическими характеристиками среды (табл. 2). Однако какую-то общую тенденцию влияния температуры и влажности на дыхание почвы выделить нельзя, поскольку разные культуры и разные варианты удобрений демонстрируют здесь существенные отличия. Для делянок со сплошным внесением NPK хорошо выражена зависимость эмиссии СО ₂ из почвы от температуры воздуха; а среди них, для ранее не удобрявшихся посевов значима связь с температурой почвы на разных глубинах. Для ржи и картофеля существенна зависимость дыхания почвы от ее влажности. В то же время для ячменя не было получено ни одной значимой корреляции. Также не отмечено зависимости дыхания почвы от величины рН. Это связано с тем, что этот показатель слабо меняется в пределах Опыта, оставаясь в диапазоне 6.0‒6.7 (реакция почвенного раствора слабокислая и близкая к нейтральной), что является следствием известкования.

 

Таблица 2. Корреляции дыхания почвы с гидротермическими показателями в вегетационный сезон

Варианты удобрений и культуры Фактор

NPK с последействием разных вариантов удобрений

Разные варианты удобрений

Чистый пар

Картофель

Ячмень

Озимая рожь

NPK (б ез удобрений )*

NPK ( NPK )

NPK ( NPK + + навоз )

NPK (б ез удобрений )

NPK ( NPK )

NPK ( NPK + + навоз )

Без удобрений

NPK

NPK + навоз

Без удобрений

NPK

NPK + навоз

Температура воздуха, ° С

0.796 0.010

0.721 0.044

0.698 0.037

0.816 0.014

−

−

−

−

−

−

−

−

Температура почвы на глубине 5 см, ° С

0.784 0.021

−

−

0.800 0.017

−

−

−

−

−

−

−

−

Температура почвы на глубине 10 см, ° С

0.772 0.025

−

−

0.757 0.030

−

−

−

−

−

−

−

−

Объемная влажность почвы, %

−

−

−

−

−

0.793 0.019

−

−

−

0.816 0.013

0.716 0.045

−

Примечания : 1) представлены коэффициенты корреляции Пирсона r в числителе и уровни значимости р в знаменателе; 2) “−” значимые корреляции не были получены; 3) в скобках указаны варианты удобрений, которые были на этих делянках до 1973 г., последействие которых учитывается.

 

Анализ по факторам. Результаты двухфакторного дисперсионного анализа (табл. 3) показывают, что для делянок под чистым паром и картофелем, где применяется сплошное внесение NPK, дыхание почвы закономерно зависит только от возделываемой культуры. Тогда как для озимой пшеницы и ячменя, где есть разделение по вариантам вносимых удобрений, и культура, и удобрения имеют значимое влияние на поток СО2 из почвы, хотя их парное воздействие несущественно.

 

Таблица 3. Результаты попарного сравнения дыхания почвы по вариантам удобрений в период с оголенной почвой

Вариант удобрений	Без удобрений	NPK	NPK + навоз
Без удобрений	−	0.431	0.270
NPK	−	−	0.875
NPK + навоз	−	−	−

Примечания : представлены величины уровня значимости р для критерия Манна-Уитни.

Значимых отличий нет.

 

Сходный вывод можно сделать, если представить результаты сравнения графически (рис. 3). При осреднении по культурам эмиссия СО ₂ из почвы увеличивается в ряду картофель < < пар < ячмень < рожь. Низкое дыхание почвы под картофелем обусловлено применяемым при его возделывании гребневанием, в результате которого в летний период существенно повышается температура почвы (в среднем 25.6 ° С по сравнению с 23.0 ° С под чистым паром) и резко падает ее влажность (в среднем 5.9% по сравнению с 9.3% под чистым паром). Активное дыхание почвы под озимой рожью возникает благодаря мощной растительной биомассе, развиваемой этой культурой, что позволяет в затененной почве сохранить влагу (в среднем 12.8% по сравнению с 9.0% под ячменем) и не допустить существенного повышения ее температуры (в среднем 22.7 ° С по сравнению с 23.3 ° С под ячменем). По вариантам удобрений дыхание почвы закономерно возрастает в ряду: без удобрений < NPK < NPK + навоз. При этом диапазон изменений дыхания почвы при осреднении по вариантам удобрений (0.149‒0.347 г С м ^–2 ч ^–1 ) несколько шире, чем при осреднении по культурам (0.089‒0.264 г С м ^–2 ч ^–1 ).

 

Рис. 3. Средние скорости дыхания почвы и их стандартные отклонения за вегетационный период.

 

Аналогично через осреднение по культурам и вариантам удобрений представлены результаты определения содержания органического углерода и общего азота в почве (рис. 4). При ранжировании содержания С _орг и N _общ по вариантам удобрений отмеченные выше закономерности подтверждаются, но для культур ‒ не соответствует выделенной последовательности. Эти элементы содержатся в большем количестве на чистом пару и картофеле, чем на ячмене. Вероятно, здесь основную роль играет предшественник: ячмень в севообороте идет после картофеля, который оставляет после себя мало растительных остатков; кроме того, делянки ячменя в 2023 г. были расположены на вершине склона, откуда идет сток талых и дождевых вод и, соответственно, вынос элементов вниз по склону.

 

Рис. 4. Содержание органического углерода (а) и общего азота (б) в почве при различных вариантах осреднения. Приведены средние и их стандартные отклонения.

 

Анализ периода с оголенной почвой. Статистический анализ показывает, что в период, когда на полях отсутствуют культуры, дыхание почвы на разных вариантах удобрений значимо не отличается (табл. 3). Наблюдается сильная положительная корреляция с температурой воздуха для вариантов NPK ( r = 0.826; p = 0.011) и NPK + навоз ( r = 0.838; p = 0.009), но на делянках без удобрений такая связь не была выявлена.

Интересен графический анализ эмиссии СО ₂ в период с оголенной почвой (рис. 5). Его можно разделить на подпериоды: зимний, с отрицательными температурами воздуха и снежным покровом, и граничащие с ним осенний и весенний отрезки с положительными температурами. Заметен довольно широкий разброс значений осенью и весной, тогда как под снежным покровом дыхание почвы резко падает и составляет 0.006‒0.018 г С м ^–2 ч ^–1 , что почти в 10‒20 раз ниже, чем в вегетационный период.

 

Рис. 5. Дыхание почвы в период с оголенной поверхностью.

 

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Несмотря на свою научную значимость, Длительный опыт ТСХА достаточно часто подвергается критике. Во-первых, из-за неоднородности рельефа: крутизна склона, на котором расположен опытный участок составляет 1.7 ° с уклоном на северо-запад (Хитров, 2012), что создает неодинаковые микроклиматические условия в верхней и нижней его частях. Обработка и посев ведутся вдоль склона; ливневые и талые воды переносят почву и удобрения, а также семена сорняков и возбудители болезней вдоль склона (Лошаков, 2013). Во-вторых, из-за разного размера частей Опыта: на бессменной части 11 вариантов удобрений, тогда как в севообороте их только 9. Более того, отсутствие повторностей затрудняет статистическую обработку полученных результатов (Лошаков, 2013). В-третьих, некоторую разнородность вносит уже упомянутая пестрота почвенного покрова и существенная неоднородность профиля по гранулометрическому составу (Хитров, 2012).

Выявленные нами положительные зависимости дыхания почвы от ее температуры и влажности многократно обсуждались. Стимулирующее влияние температуры на интенсивность эмиссии СО ₂ из почвы отмечалось как в производственных условиях (Anokye et al., 2021; Brito et al., 2015; Lei et al., 2022; Wang et al., 2023), так и в полевых опытах (Kong et al., 2019; Kulachkova et al., 2023). Причем эффект повышения температуры ярче проявляется в более влажных условиях, а также на участках с более низкими значениями рН и высоким содержанием органического углерода в почве (Yang et al., 2023).

Связь с характером увлажнения обычно нелинейная – почвенное дыхание снижается как при уменьшении количества осадков (Apostolakis et al., 2022), так и при избыточном увлажнении (Yilmaz, 2019). И только в аридных экосистемах, где влажность выступает лимитирующим фактором, выпадение осадков всегда приводит к значимому усилению дыхания почвы (Francioni et al., 2020; Morris et al., 2022).

Следует акцентировать внимание на полученной нами зависимости дыхания почвы от типа вносимых удобрений. Действительно, многие авторы отмечают, что органические удобрения значительно усиливают эмиссию СО ₂ из почвы. Так, по оценкам Шиловой (2014), минеральные удобрения увеличивают ее на 20%, тогда как внесение органоминерального удобрения усиливает эмиссию в 1.3‒1.5 раза. Отсутствие минеральных удобрений существенно подавляет почвенное дыхание (Sosulski et al., 2021). В нашем случае (рис. 4) усиление дыхания составило 12% для варианта NPK и 133% (2.3 раза) для варианта NPK + навоз по сравнению с делянками без удобрений. В то же время важно отметить, что органические удобрения, помимо активизации эмиссии, усиливают нетто-поглощение углерода почвой (Yang et al., 2018), тем самым существенно увеличивая содержание в ней углерода и азота (Wang et al., 2023). Действительно, в нашем примере содержание С _орг и N _общ в вариантах NPK + навоз превышает контрольный уровень в 2.4 раза (см. рис. 4).

Важно сравнить наши результаты двухфакторного анализа, подтверждающие сходный вклад культуры и удобрений в эмиссию СО ₂ из почвы (табл. 4), с данными других исследователей. Аналогичные выводы были получены в длительном полевом опыте в Польше, где было признано, что дыхание легких по составу почв больше зависит от вида возделываемой культуры и типа вносимых удобрений, чем от системы севооборота (например, эмиссия СО ₂ из почвы под озимой рожью в варианте NPK + навоз с внесением извести на бессменных посевах не отличалась от таковой в севообороте) (Sosulski et al., 2021). Тогда как по результатам опыта в Чехии более сильное влияние на дыхание почвы оказывает культура, а не удобрения (Cerhanová et al., 2006).

 

Таблица 4. Результаты двухфакторного дисперсионного анализа для дыхания почвы в вегетационный период

Источник дисперсии	df (число степеней свободы)	F (критерий Фишера) F табл = 3.18	р (уровень значимости)
Чистый пар и картофель – NPK с последействием
Культура	1	4.062	0.047
Удобрения	2	2.266	0.108
Взаимодействие Культура * Удобрения	2	0.225	0.802
Озимая рожь и ячмень – разные варианты удобрений
Культура	1	4.071	0.041
Удобрения	2	7.939	0.001
Взаимодействие Культура * Удобрения	2	0.635	0.479

Примечание : значимые факторы ( F > F _табл , р < 0.05) выделены цветом.

 

До настоящего времени никто не измерял дыхание почвы в Длительном опыте ТСХА круглогодично; данные измерений есть только за вегетационный период. Тем не менее, интересно сопоставить некоторые показатели, полученные на тех же делянках. В более ранних исследованиях было сформулировано иное распределение культур по скорости дыхания почвы: рожь > > картофель > ячмень (Савоськина, Полин, 2015), тогда как полученные нами данные позволяют ранжировать культуры в порядке рожь > > ячмень > (пар) > картофель. Вероятная причина иного расположения участков с картофелем в этом ряду – отличия в методах измерения эмиссии, поскольку в упомянутом исследовании авторы применяли манометрический метод с использованием аппарата Варбурга, при котором почва изымается с поля. В методе закрытых динамических камер, который применялся в нашей работе, почва остается в характерных для нее условиях. Как мы отмечали ранее, на гребнях картофеля она существенно перегревается и пересыхает, что способствует снижению уровня дыхания.

Измеренная ранее другой группой исследователей на территории Длительного опыта ТСХА эмиссия СО ₂ из почвы на бессменном чистом пару была равна 0.009‒0.035 г С м ^–2 ч ^–1 , а на бессменном ячмене составила 0.043‒0.113 г С м ^–2 ч ^–1 (Чистотин, Сафонов, 2016). На расположенном рядом на том же типе почв Опыте точного земледелия дыхание почвы под картофелем в севообороте в течение года колебалось в интервале от 0.054 до 0.324 г С м ^–2 ч ^–1 (Мазиров и др., 2015). Наши измерения показали, что дыхание почвы в севообороте в среднем больше, как для чистого пара (0.135 г С м ^–2 ч ^–1 ), так и для ячменя (0.173 г С м ^–2 ч ^–1 ), тогда как для картофеля уровень эмиссии находился в том же интервале (0.089 г С м ^–2 ч ^–1 ).

Аналогичные варианты удобрений были применены на опытных полях ВНИИОУ во Владимирской области для того же типа дерново-подзолистых почв. Дыхание почвы закономерно возрастало в последовательности без удобрений < NPK < NPK + навоз и составило за вегетационный сезон для ячменя 1554, 2461 и 2792 кг С/га, а для картофеля 1902, 2471 и 2658 кг С/га, соответственно (Шилова, 2014). Если пересчитать полученные нами данные с учетом продолжительности вегетационного периода, то диапазоны изменения дыхания почвы будут больше и составят 2800‒5500 кг С/га для ячменя и 2100‒3300 кг С/га для картофеля. Во Владимирском опыте при осреднении по культурам в варианте без удобрений эмиссия СО ₂ составляла на чистом пару 1296, на картофеле 1753 и на озимой пшенице 1959 кг С/га за вегетационный период (Лукин, 2015; Шилова, 2014). Рассчитанные для Длительного опыта ТСХА аналогичные значения равны 2900, 2100 и 4800 кг С/га соответственно, т.е. в 1.2‒2.4 раза выше. Наиболее вероятная причина – также разница в методах измерения эмиссии, поскольку во ВНИИОУ использовался менее точный метод поглощения щелочью.

Некоторые авторы сопоставляли и другие факторы в Опыте, которые не вошли в нашу работу: дыхание почвы в севообороте и бессменных посевах, а также с внесением и отсутствием извести. На севообороте эмиссия СО ₂ из почвы выше, чем на бессменных посевах из-за различного качества растительных остатков и более широкого видового состава микроорганизмов. При внесении извести интенсивность дыхания также уменьшается, поскольку она не только повышает реакцию среды от кислой до нейтральной, но и снижает содержание в почве подвижных форм органического вещества, а также способствует его закреплению с минеральной частью (Савоськина, Полин, 2015).

Дополнительно можно сравнить некоторые характеристики почвенного покрова. Так, по данным Савоськиной и Полина (2015), кислотность на известкованной части севооборота слабая и нейтральная, в среднем 6.0. Наши измерения водного рН показывают довольно близкие значения, и в среднем он равен 6.3. Через 60 лет после закладки опыта углерод гумуса в среднем составлял 1.03%, общий азот 0.079%, С/N = 13 (Мазиров, Сафонов, 2010). В пробах, отобранных в 2023 г., т.е. через 110 лет после закладки и через 50 лет после предыдущего определения, С _орг в среднем составлял 1.36%, N _общ был равен 0.108%, С/N = 12.6. Отсюда можно заключить, что применение удобрений способствует росту почвенного плодородия и увеличению содержания биогенных элементов; но с другой стороны, такое повышение значений может быть просто связано с усовершенствованием методов химического анализа. В любом случае, это требует более детального изучения. Для сравнения, в европейских длительных полевых опытах содержание С _орг колеблется от 0.15% на песчаных почвах до 2.29% на черноземах (чаще всего менее 1.0%); минеральные удобрения увеличивают его содержание на 0.06‒0.08% по сравнению с неудобряемыми участками, а органические – на 0.24% С _орг ежегодно (Körschens, 2021).

ВЫВОДЫ

1. Вносимые удобрения и возделываемая культура оказывают равное по силе влияние на дыхание почвы, тогда как их совместное воздействие, а также последействие удобрений незначимо.
2. В вегетационный период дыхание почвы отличается чрезвычайно высокой дисперсией и для большинства делянок статистически не отличается.
3. В период с оголенной почвой ее дыхание не отличается между вариантами удобрений, а под снежным покровом оно ниже в 10‒20 раз, чем в вегетационный период.

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Исследование выполнено за счет средств гранта РНФ № 23-26-00191.

FUNDING

The study was funded by the Russian Science Foundation grant no. 23-26-00191.

作者简介

O. Sukhoveeva

Institute of Geography, Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: olgasukhoveeva@gmail.com
俄罗斯联邦, Moscow

A. Ryzhov

Institute of Geography, Russian Academy of Sciences

Email: olgasukhoveeva@gmail.com
俄罗斯联邦, Moscow

A. Pochikalov

Institute of Geography, Russian Academy of Sciences

Email: olgasukhoveeva@gmail.com
俄罗斯联邦, Moscow

D. Karelin

Institute of Geography, Russian Academy of Sciences

Email: olgasukhoveeva@gmail.com
俄罗斯联邦, Moscow

I. Zavertkin

Russian State Agrarian University – Moscow Timiryazev Agricultural Academy

Email: olgasukhoveeva@gmail.com
俄罗斯联邦, Moscow

参考

补充文件