Материал: Управління обігом азоту і вуглю в агроценозах кліматичної системи Лісостепу України

Управління обігом азоту і вуглю в агроценозах кліматичної системи Лісостепу України

УДК 551.5:519.6:502.3

Управління обігом азоту і вуглю в агроценозах кліматичної системи Лісостепу України

Демиденко О.В. кандидат с.-г. наук,Черкаська державна дослідна станція «ННЦ «Інститут землеробства НААН»»

Величко В.А. доктор с.г. наук, ННЦ «Інститут ґрунтознавства та агрохімії ім.О.Н. Соколовського

Колообіг азоту та вуглецю - є основними біогеохімічними циклами, які відбуваються у наземних еко- і агроекосистемах [2,10]. Дефіцит мінеральних форм ґрунтового азоту негативно впливає на розвиток рослинних організмів, як у природних ценозах, так і у агроценозах, впливаючи на депонування вуглецю атмосфери, що посилює наслідки глобальних змін клімату [7,10,20,21]. Дослідження останніх років засвідчують, що загальноприйтим є включення вуглецевого циклу екосистеми до кліматичних моделей, як интегральної характеристики вуглецевого циклу - концентрації СО2 в атмосфері [5]. Виключення азотного циклу з розгляду наслідків змін клімату призводить до недостатньої оцінки відгуку екосистем, де мінеральні форми ґрунтового азоту є лімітуючим фактором для розвитку наземної рослинності, як у природних ценозах [11,12,17 ], так і у агроценозах [15].

Виявлено суттєвий вплив колообігу азоту на обернений зв’язок між зміною кліматичних характеристик і циклом вуглецю: чим сильніший зв’язок продуктивності природних ценозів і агроценозів від кількості засвоєного азоту у ґрунті, тим швидше поглинаються викиди СО2 наземними рослинними угрупуваннями [14,], а тому кількісна оцінка взаємозв’язку вуглецевого і азотного циклів суттєво впливає на оцінку збільшення або зменшення вуглецевого бюджету наземних екосистем [9,13]. Взаємодія між азотним і вуглецевим циклами в еко- і агроекесистемах виявляє суттєвий вплив на зміну умісту азоту і вуглецю у рослинності, шарі детриту та органічній речовині ґрунту [2,3,15,22], а інтенсивність та взаємнообумовленність зазначених циклів лежить в основі природнього ґрунтоутворення та його відновлення в агроценозах при застосуванні грунтовідновних систем ведення землеробства [15].

Потепління клімату, як правило, веде до зменшення депонування СО2 в еко- і агроекосистемах, що пов’язано з зростанням інтенсивності, як продуктивного, так і деструктивного процесу: зростає швидкість розкладу органічної речовини у ґрунті, посилюється ґрунтове дихання, що призводить до посилення чутливості продуктивності різних угрупувань рослин до вологості ґрунту і температури повітря. При надмірному прояві зазначених процесів інтенсивність ґрунтового дихання починає перевищувати швидкість акумуляції СО2 атмосфери рослинами, а еко- і агроекосистеми перетворюються на джерела викидів вуглекислоти [22] та закису азоту [1,6] до атмосфери.

Неврахування взаємодії між азотним і вуглецевим обігом в умовах потепління клімату скорочує запаси наземного вуглецю у рослинних угрупуваннях, у тому числі і агроценозах, у ґрунті внаслідок зростання автотрофного дихання і швидкості розкладу органічної речовини детриту і ґрунту, тобто зв’язок вуглець-клімат набуває прямого позитивного спрямування. Врахування азотного циклу пов’язано зі зростанням умісту наземного вуглецю за підвищення температури повітря, що обумовлено зростанням умісту СО2 у атмосфері, що викликано посиленням мінералізаційних процесів у ґрунті, наслідком яких є накопичення доступного мінерального азоту у ґрунті, який стимулює продуктивність еко- і агроекосистем та посилює продуктивність фотосинтезу [16,18,19]. При достатньому рівні зазначених процесів потреба у атмосферному вуглеці рослинними угрупуваннями починає перевищувати емісію ґрунтового вуглецю, а наземні еко- і агроекосистеми перетворюються на системи-накопичувачі органічної речовини атмосфери, тобто взаємозв’язок вуглець-клімат стає обернено-кореляційною моделлю [10,13].

Таким чином, розробка комплексної моделі обігу азоту при використанні різних видів органічних добрив, типів сівозмін та способів обробітку чорноземів з обігом вуглецю дає можливість отримати достовірну оцінку вуглецевого обігу при очікуваних кліматичних змінах, виявити основні закономірності відновлення природного ґрунтоутворення в агроценозах сучасної кліматичної системи Лісостепу України.

Мета досліджень. Встановити нормовані параметри комплексної моделі колообігу азоту і вуглецю у агроценозах різного типу за використання різних видів органічних добрив та обробітку грунту в умовах кліматичної системи Лісостепу України.

Методика проведення досліджень. Дослідження проводилися у довготривалому польовому стаціонарному досліді Черкаської державної сільськогосподарської дослідної станції впродовж 1999-2010 року. Дослід розміщено на чорноземі типовому малогумусному крупно-пилуватолегкосуглиноковому з вмістом гумусу - 3,8-4,2 %, вміст рухомого фосфору - 12-14 мг на 100 г грунту, а рухомого калію - 8-10 мг на 100г ґрунту,. рНс = 6,8-7,0. Площа посівної ділянки - 162 м2,,, облікової - 100 м2, повторність досліду - триразова.

Вивчалися дві п’ятипільні сівозміни з чергуванням культур: сівозміна 1.: горох-озима пшениця-цукрові буряки-кукурудза-кукурудза. Структура сівозміни: 60% - зернові, 20 % - зернобобові, 20 % - технічні. Сівозміна 2.: багаторічні трави-озима пшениця-цукрові буряки-кукурудза - ячмінь з підсівом трав. Структура сівозміни: - 60 % - зернові, 20 % - технічні, багаторічні трави - 20 %. Система удобрення: без добрив, одинарна доза (1 норма - N33Р31К41) та подвійна доза (2 норми-N66Р62К82) мінеральних добрив. Зазначені дози мінеральних добрив вносилися при внесенні 6 т/га гною при вилученні побічної продукції та при заміні гною на 6 т/га побічної продукції. Способи обробітку ґрунту: різноглибинна оранка на 22 - 25 см; безполицевий обробіток на 22 - 25 см.. Обчислення балансу вуглецю у агроценозах різного типу і прогнозування гумусного стану чорноземів по масі СО2, що виділяється, здійснено за такими потоками:

Сγ - маса вуглецю СО2, внаслідок мінералізації гумусу, тонн;

Ср - маса вуглецю СО2, внаслідок мінералізації побічної продукції, поукісних, і кореневих решток, тонн;

С(γ+р) - загальна маса вуглецю внаслідок мінералізації, тонн

Сj - маса вуглецю СО2, внаслідок дихання ґрунтових організмів, тонн.

Визначення рівня забезпечення потенціальної біопродуктивності культур ресурсом СО2 проведено балансом даного ресурсу, а сам баланс органічного вуглецю визначено, як різницю між надходженням Сорг до агроценозу та його залученням з побічної продукції або гною в гумус. Витратна стаття включає винос Сорг урожаєм, масою Сорг побічної продукції, що перейшла до СО2 внаслідок мінералізації. Для простоти розрахунку Сj прийняли, як константу для всих варіантів. Баланс азоту розраховано за загальноприйнятою методикою [4].

Результати досліджень. Для лівобережного Лісостепу встановлені типізовані межі обігу азоту за різних видів органічних добрив, способу обробітку ґрунту в агроценозах короткоротаційних сівозмін. Середній винос азоту (N) урожаєм (30,6 т к. о. за сівозміну або 6,12кг/га за рік) становив 596 кг (119 кг/га) за сівозміну за типізованих інтервальних значень 426-718 кг. Загальний винос азоту з агроценозу становив 744 кг, а типізований інтервальний - 525-937 кг. Надходження N за рахунок пожнивних, кореневих, поукісних решток, гною у середньому становило 478 кг, а у інтервальному вимірі 342-634 кг. Загальне надходження N з врахуванням мінеральних добрив, азотфіксації, N посівного матеріалу та опадів становило 715 кг або в інтервальному вимірі - 424-935 кг за наростаючим виходом.

Баланс N в агроценозах складав -30 кг (-6 кг/га), а у інтервальному вимірі -203 ÷+163 кг. Інтенсивність балансу N досягала 101 %, а інтервально - 77 - 122 %. Виявлено зв’язок азотного обігу з обігом вуглецю: на одиницю від’ємного значення балансу азоту приходиться 1,12 т від’ємного балансу вуглецю. Від’ємність балансу азоту в агроценозах забезпечило додатність балансу вуглецю у ґрунті на рівні простого відтворення (Бсг=+0,5 тонн або Бсг=0,1 т/га), а в інтервальному вимірі -1,7-2,9 тонн. Інтенсивність балансу N у середньому становила 101 % або 77-122 %, а Іб(Сагр.)=21,5 - 86 %; у ґрунті Іб=69,5-116 %.

При внесенні гною та вилученні побічної продукції з агроценозів параметри азотного обігу за виносом урожаєм знижувалися до 551 кг (110 кг/га) при інтервальному значенні складали 383-680 кг.

Таблиця 1. Вплив типу сівозміни та виду органічних добрив на нормовані параметри азото-вуглецевого обігу в агроценозах Лісостепу України

При цьому загальний винос N зростав до 821 кг (164 кг/га), а за інтервального значення 528-1031 кг (106-206 кг/га). Надходження N з пожнивними та кореневими рештками знижується на 129 кг (25,8 кг/га), а інтервальне значення надходження азоту становило 300-389 кг (60-78 кг/га).

Загальне надходження N до агроценозу становило 629 кг (125,8 кг/га) при інтервальному значенні 352-846 кг (70-169 кг/га). Баланс азоту в агроценозах за внесення гною становив -203 кг (-41 кг/га), а за інтервальним значенням: -403:÷-64 кг або -80,6 ÷ -12,8 кг/га. Інтенсивність балансу N була на рівні 37-91 % або у середньому 82,1 %. Зростання дефіцитності балансу N за систематичного внесення гною прямо пов’язане з зростанням дефіцитності балансу вуглецю як в агроценозах, так і у грунті: Бс(а)= -28 тонн (Бс(а)= -31,5 ÷ -23,0 тонн та Бс(г)= -1,3 тонн (Бс(г)= -4,5-1,1 тонн). При цьому Іб вуглецю в агроценозі та грунті були на рівні 59,4-80,8 %.

За систематичного внесення побічної продукції загальний винос N урожаєм відносно середнього значення зріс на 45 тонн (9 т/га), а за інтервального значення на 102-93 тонн (20,4 т/га і 18,6 т/га). Надходження N з побічної продукції зросло на 127 % і 174 % відносно середнього значення та систематичного внесення гною і становило 607 кг (121 кг/га) або 425-702 кг (85-140 кг/га). Загальне надходження N становило 802 кг, що вище відносно середнього та внесення гною на 113 % і 128 %, а інтервальне значення при цьому становило 432-1052 кг або 86,4-210 кг/га. Баланс N в агроценозах був додатнім (+143 кг або +28,6 кг/га), а у інтервальному вимірі +44-+272 кг (8,8-54,4 кг/га). Інтенсивність балансу N зросла до 120 %, змінюючись від 112 % до 130 %. За використання побічної продукції додатність балансу N в агроценозі супроводжувалась зростанням дефіцитності балансу вуглецю (Бс(а)= -38,8 т) і додатністю балансу вуглецю у грунті (Бс(г)= +2,3 т). Відповідно Іб у першому випадку становила 62,1 %, а у другому 110 %.

За рахунок мінералізаційних процесів за сівозміну у середньому в атмосферу вивільнилося 101 тонн СО2 тоді як за внесення гною у 2,43 рази менше, а відносно середнього значення - у 1,42 рази менше. При цьому розрахункові значення викидів азоту за рахунок денітрифікації у вигляді N2О за систематичного використання побічної продукції становили 24,5 кг (≈5 кг/га) або 13-33 кг, що вище порівняно з внесенням гною у 1,24 рази і в 1,11 рази відносно середнього значення.

На особливості азотного обігу за використання побічної продукції або гною впливає тип сівозміни. У сівозміні з горохом при використанні побічної продукції винос N урожаєм зростає на 120 %, а загальний винос N з агроценозу зменшується на 180 кг (36,0 кг/га). При цьому інтервальний винос N за використання побічної продукції звужується, а при внесенні гною розширюється за міжквартельним розмахом у 1,68 рази.

Надходження N з побічною продукцією за використання гною знижується у 2,02 рази, а за квартельним розмахом - у 3 рази. Загальне надходження N зростає у 1,42 рази, а за квартельним розмахом - у 1,27 рази. Баланс N в агроценозі за використання побічної продукції набув додатного значення (+97,8 кг), тоді як за внесення гною баланс N був від’ємним (-345 кг), а за квартельним розмахом +32,6 кг і -55 кг відповідно. Інтенсивність балансу N становила 109 % і 66,7 % при зниженні інтервального розмаху у 1,62 рази за використання побічної продукції. У сівозміні з багаторічними травами за використання побічної продукції винос N з урожаєм був вищим, ніж за внесення гною на 62 кг або на 113 %, а загальний винос азоту був нижчим на 129 кг (25,8 кг/га). Надходження N за рахунок побічної продукції у сівозміні з травами було нижчим порівняно з сівозміною з горохом на 116 кг і на 20 кг за використання гною, але у межах сівозміни за використання гною надходження N знижувалися на 183 кг (36,6 кг/га), а за квартельним розмахом у 1,58 рази.

Загальне надходження N у сівозміні з травами при використанні побічної продукції знижувалося у 1,14 рази і зростало за використання гною у 1,13 рази порівняно з сівозміною з горохом, а у сівозміні з горохом використання побічної продукції забезпечувало вище у 1,15 рази надходження N порівняно з використанням гною. При цьому баланс N у першому випадку становив +189 кг (37,8 кг/га) і -61,4 кг (-12,3 кг/га) у другому. Відповідно Іб при використанні побічної продукції була вищою у 1,34 рази.

Таблиця 2. Вплив способів обробітку на нормовані параметри азото-вуглецевого обігу в агроценозах Лісостепу України