Influence of Mineral Fertilizers on Carbon Dioxide Emission in Spring Wheat Crops in the Forest-Steppe Zone of the Trans-Ural Region

Одна из наиболее существенных проблем современного мира – это глобальное изменение климата, которое оказывают влияние на все стороны жизни, в том числе и на продовольственную безопасность населения

Эмиссия углекислого газа в агроценозах зависит от различных факторов, начиная от видов возделываемых культур до способов обработки почвы и удобрений. Современное сельское хозяйство для получения стабильно высокого урожая культур использует минеральные удобрения, и как показывают исследования, различные дозы удобрений по-разному оказывают влияние на эмиссию диоксида углерода. Использование минеральных удобрений приводит к повышению эмиссии углекислого газа, из-за активизации почвенной микрофлоры. Однако использование высоких доз удобрений может привести к угнетению аборигенной микрофлоры и снизить продуцирование СО2

Цель исследования: установить влияние минеральных удобрений на динамику эмиссии углекислого газа в посевах яровой пшеницы.

Опыт закладывали в лесостепной зоне Зауралья на черноземе выщелоченном. В зернопаровом севообороте, в который входили однолетние травы, яровая пшеница и овес. Обработка почвы традиционная для данной зоны. Осенью проводили вспашку на глубину 20-22 см навесным плугом. Весной боронили средними зубовыми боронами в два следа. Перед посевом врезали расчетные дозы минеральных удобрений, использовали аммиачную селитру и аммофос (СЗП-3,6). В дальнейшем культивировали на глубину 6-8 см и сразу сеяли (СЗМ-5,4) сорт Тюменская юбилейная с нормой высева 6,0 млн. семян на гектар, после проводили прикатывание кольчато-шпоровыми катками. Схема опыта предусматривала варианты с NPK на 3,0 т/га (N95P46); NPK на 4,0 т/га (N153P94); NPK на 5,0 т/га (N211P142) и NPK на 6,0 т/га (N270P190) т/га зерна яровой пшеницы. Контроль – естественное плодородие чернозема выщелоченного. Делянка опытная составляла 100 м2, учетная – 50 м2, повторение 4-х кратное. Учет эмиссии СО2 проводили каждые 10-16 суток с помощью инфракрасного газоанализатора AZ77535. Для этого перед замером с почвы срезали культурные растения с площади 0,25 м2, на это место устанавливали герметичные сосуды фиксированной площади и объема, закопанные на глубину 2 см. По истечению суток проводили замер СО2 через герметичный клапан, от полученных значений отнимали фоновое содержание углекислого газа в атмосфере. Далее методом перерасчета устанавливали продуцирование углекислого газа на гектар в сутки. Статистическую обработку данных проводили по Доспехову с использованием программного обеспечения Microsoft Excel.

Эмиссия углекислого газа в начале развития яровой пшеницы составляет от 37,4 до 41,4 кг СО2/га*сутки. Минеральные удобрения в этот период не оказывают влияние на интенсивность почвенного дыхания (НСР05=4,3 кг СО2/га*сутки) (рис.1). В этот период (11 мая) отмечена высокая корреляция (0,74) между дозами минеральных удобрений и эмиссией углекислого газа, это позволило нам провести расчет и установить уравнение регрессии (рис.2). Установлено, что каждые внесенные перед посевом 100 кг/га минеральных удобрений в действующем веществе повышают эмиссию СО2 на 0,79 кг СО2/га*сутки.

К 25 мая внесенные перед посевом минеральные удобрения достаточно хорошо растворились и начинают оказывать стимулирующее действие на почвенную микрофлору, также повышение температуры почвы положительно сказывалось на усилении продуцирования диоксида углерода. На контроле эмиссия увеличилась на 62% относительно исходных измерений. Внесение минеральных удобрений на планируемую урожайность свыше 4,0 т/га зерна яровой пшеницы увеличивало интенсивность газообразных потерь углерода до 68,1-85,6 кг СО2/га*сутки.

Рисунок 1 - Влияние минеральных удобрений на эмиссию СО2 в течение вегетации яровой пшеницы

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.112.1

Высокая отмеченная корреляция (0,94) в этот период (25 мая) между дозами внесенных под посев яровой пшеницы минеральных удобрений и эмиссией СО2, что позволило вывести уравнение регрессии (рис.2) и установить, что каждые внесенные перед посевом 10 кг/га минеральных удобрений в действующем веществе повышают эмиссию СО2 на 0,58 кг СО2/га*сутки. Существенное повышение эмиссии углекислого газа в зависимости от доз минеральных удобрений относительно предыдущего периода времени может быть связано в первую очередь с растворением удобрений и повышением численности почвенной микробной массы, что подтверждается ранее проведенными исследованиями

[8]

. Также более развитой корневой системой растений на удобренных вариантах

[9]

. Это в последствии и будет оказывать наибольшее влияние на уровень эмиссии СО2.

Рисунок 2 - Взаимосвязь доз минеральных удобрений и эмиссии СО2 в посевах яровой пшеницы в различные периоды времени

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.112.2

Измерения, которые были проведены 10 июня, позволили установить, что к этому периоду происходит увеличение продуцирования диоксида углерода на всех исследуемых вариантах на 12-18%, в сравнении значениями, полученными 25 мая. На варианте с естественным уровнем питания выделение углекислого газа из почвы не превышало 67,7 кг СО2/га*сутки. Внесение удобрений обеспечивало усиление эмиссии СО2 на 7-49% в зависимости от внесенных доз удобрений на планируемую урожайность. Это связано с тем, что внесенные ранее минеральные удобрения обеспечили большую численность почвенных микроорганизмов, а также более развитую корневую систему на удобренных вариантах

[10]

. В этот период также отмечалась высокая зависимость (0,96) между эмиссией СО2 и дозами минеральных удобрений. В результате расчетов было получено уравнение достоверное в диапазоне внесения доз минеральных удобрений до 460 кг/га. Исходя из которого установлено, что каждые 10 кг/га удобрений в действующем веществе повышают интенсивность выделение СО2 в посевах яровой пшеницы на 0,78 кг СО2/га*сутки.

Скорость дыхания почвы в посевах яровой пшеницы на контроле 11 июня относительно предыдущих значений не отличалась. Тогда как на вариантах с внесением удобрений эмиссия СО2 составляла от 88,9 до 141,8 кг СО2/га*сутки, что выше контроля на 27-103%. Это может быть связано с тем, что в этот период естественное плодородие чернозема выщелоченного не способно полностью обеспечить культурные растения необходимым количеством нитратного азота. В результате этого он находится в дефиците и активность почвенной биоты существенно снижается, это подтверждается исследованиями, проведенными на кафедре почвоведения и агрохимии ГАУ Северного Зауралья

На всех исследуемых вариантах к 10 июня интенсивность продуцирования углекислого газа повышается. На варианте с естественным плодородием эмиссия составила 83,7 кг СО2/га*сутки. На удобренных вариантах этот показатель был выше на 13,3-121,3 кг СО2/га*сутки. Значительное увеличение интенсивности дыхания в этот период на естественном фоне в сравнении с предыдущим, может быть связно с высокой скоростью накопления азота текущей нитрификации, в результате чего баланс азота между накоплением и расходом становиться положительным, что приводит к активизации почвенных микроорганизмов и интенсивности дыхания. В этот период времени прослеживается высокая зависимость между дозами минеральных удобрений и эмиссией СО2 (0,97). Разработанное уравнение показывает, что каждые 10 кг/га удобрений внесенных перед посевом яровой пшеницы увеличивают эмиссию углекислого газа в этот период времени на 1,80 кг СО2/га*сутки.

Эмиссия углекислого газа 24 июля была максимальной на весь изучаемый период и была выше предыдущих измерений на 0,9-11,3%, это объясняется наиболее благоприятным температурным режимом для почвенной биоты, а также наиболее активной корневой системой яровой пшеницы

В дальнейшем скорость продуцирования углекислого газа снижается из-за понижения температуры как атмосферной, так и почвенной. В связи, с чем на естественном фоне интенсивность дыхания к 9 августа снижалось на 42% относительно максимальных значений. На удобренных вариантах снижение эмиссии было не настолько интенсивных и составляло 24,8-34,5%. В этот период по-прежнему отмечается высокая корреляция между продуцирование СО2 и дозами минеральных удобрений (0,97). Уравнение регрессии разработанное для данного периода времени показывает, что каждые 10 кг/га минеральных удобрений в действующем веществе увеличивают эмиссию СО2 на 1,20 кг/га в сутки.

К 24 августа уменьшалась интенсивность эмиссии углекислого газа до 41,9 кг СО2/га*сутки на контроле и до 73,2-105,8 кг СО2/га*сутки на удобренных вариантах. Высокая корреляция (0,96) доз удобрений и эмиссии СО2, позволила установить, что каждые внесенные в 10 кг/га удобрений в д.в. повышают интенсивность продуцирования углекислого газа на 1,0 кг/га в сутки.

Газообразные потери углерода 5 сентября на контроле составляли 35,1 кг СО2/га*сутки, что ниже предыдущих значений на 16%. На вариантах с внесением удобрений на планируемую урожайность 3,0-4,0 т/га зерна существенно не отличались от естественного фона. На высоком минеральном фоне NPK на 5,0 и 6,0 т/га зерна эмиссия была выше контроля на 37-67%.

Отсутствия отличия, в продуцировании диоксида углерода на вариантах с NPK на 3,0 и 4,0 т/га связана с тем, что на них удалось получить планируемую урожайность, в результате чего значительная часть питательных элементов была усвоена яровой пшеницей. На высоком агрофоне из-за не получения расчетной урожайности, неизрасходованные питательные вещества оказывали положительное действие на интенсивность дыхания почвенной биоты. Расчеты показали, что минеральные удобрения и эмиссия СО2 имеют сильную зависимость (0,85). Установлено, что внесение 10 кг/га минеральных удобрений в д.в. увеличивают продуцирование углекислого газа в этот период времени на 0,42 кг/га в сутки.

К середине сентября интенсивность эмиссии углекислого газа сократилась относительно предыдущих значений на 2,7-13,6%. Однако отмечалась такая же тенденция, как и при предыдущем измерении. Корреляция доз удобрений и эмиссии углекислого газа также высокая (0,90) как и в предыдущие разы. Уравнение регрессии показывает, что каждые 10 кг/га минеральных удобрений в д.в. увеличивает эмиссию СО2 на 0,41 кг СО2/га*сутки.

4 октября интенсивность эмиссии диоксида углерода на всех изучаемых вариантах уменьшилась на 27,1-34,3% относительно предыдущих измерений. Наиболее интенсивное снижение было отмечено на вариантах с естественным уровнем питания и с NPK на 3,0 и 4,0 т/га зерна, значения на которых уменьшились на 33,6-34,3 кг СО2/га*сутки. На вариантах с высоким уровнем питания в этот период продуцирование углекислого газа было выше контроля на 50-83%. В этот период отмечена высокая корреляция доз удобрений на эмиссию углерода (0,89). Разработанное уравнение позволило установить, что внесение 10 кг/га минеральных удобрений в д.в. повышает продуцирование диоксида углерода на 0,25 кг СО2/га*сутки.

Интенсивность эмиссии углекислого газа 17 октября сократилась более чем на 50%. На варианте с естественным плодородием газообразные потери составляли 9,3 кг СО2/га*сутки. На удобренных вариантах это показатель варьировал от 9,2 до 11,2 кг СО2/га*сутки. В исследовании отмечена высокая корреляция минеральных удобрений и эмиссии СО2 (0,85). Полученное уравнение регрессии показывает, что каждые внесенные 100 кг/га д.в. минеральных удобрений повышают продуцирование углекислого газа лишь на 0,42 кг СО2/га*сутки, что существенно ниже значений полученных ранее.

Минеральные удобрения в течение развития яровой пшеницы оказывают существенное влияние на эмиссию углекислого газа в посевах яровой пшеницы. В начале развития яровой пшеницы удобрения не оказывают существенного влияния на скорость продуцирования углекислого газа, значения которого находятся в диапазоне от 37,4-41,4 кг СО2/га*сутки. В дальнейшем с растворением минеральных удобрений, развитием корневой системы и повышением температуры почвы, скорость эмиссии диоксида углерода повышается. Максимальная эмиссия СО2 в посевах яровой пшеницы приходится на 24 июля и достигает 93,2-161,5 кг СО2/га*сутки. Минимальные значения эмиссии углекислого газа отмечаются осенью в октябре – 9,3-11,2 кг СО2/га*сутки.