Потери аммиака и использование азота растениями из карбамида при поверхностном внесении в зимние месяцы

Внесение карбамида вразброс в течение зимнего периода – распространенный агротехнический прием при выращивании озимой пшеницы в богарных условиях полуаридного штата Монтана. Популярность данного приема основывается на необходимости распределения рабочей нагрузки. Фермеры в данном регионе обычно имеют > 1000 га при использовании систем нулевой или минимальной обработки почвы, что создает значительную нагрузку при проведении сева в течение короткого промежутка времени (то есть < 2 недель в середине сентября).
Общепризнано, что при поверхностном внесении карбамида существует предрасположенность к потере аммиака (NH₃). Однако у фермеров и поставщиков удобрений имеется устоявшееся мнение о том, что за счет внесения карбамида на холодную почву в течение зимнего периода можно уменьшить или же предотвратить потерю NH₃. Наши исследования показали, что это отнюдь не так (Engel и др., 2012), и что значительная потеря азота в виде NH₃ (то есть > 20% от внесенного количества) может происходить после внесения карбамида на холодную почву с температурой < 5°C, включая почву, укрытую небольшим снежным покровом. Самый важный результат данных исследований заключается в том, что наиболее неблагоприятная ситуация, исходя из потерь NH₃, складывалась после внесения карбамида на влажную поверхность почвы – с высоким содержанием влаги и последующем медленном подсыхании при небольшом количестве осадков или их отсутствии. Вероятность создания таких условий в штате Монтана и других соседних территориях северной части Великих равнин выше в течение зимнего периода по сравнению с весной. В течение зимы поверхность поч­вы обычно находится в промерзшем состоянии, но все же может становится влажной в результате повторяющихся периодов неглубокого оттаивания поверхности. Распределение осадков таково, что зимы, как правило, сухие с выпадением за 4 месяца (1 декабря – 31 марта; MCO-UM, 2015) лишь 14-15% от суммарного годового количества осадков (310-420 мм). Вследствие этого осадки, как правило, имеют низкий объем, и внесенный вразброс карбамид может оставаться вблизи поверхности почвы, где подвергается потерям азота за счет улетучивания NH₃. Наоборот, весной после оттаивания почвы температуры выше, и поверхность почвы подсыхает быстрее. Весной объем выпадающих осадков обычно больше, и выше вероятность того, что поверхностно внесенный карбамид будет растворяться и инфильтроваться вглубь почвы, где он менее подвержен потерям азота за счет улетучивания NH₃.
Очевидные различия в подверженности карбамида потерям азота за счет улетучивания NH₃ между зимним и ранневесенним сроками внесения побудили нас к более подробному изучению кумулятивных потерь NH₃ в течение данных периодов. Вместе с тем обработка карбамида ингибитором уреазы (NBPT - N-(н-бутил)-триамид тиофосфорной кислоты (примечание переводчика) – общепризнанный способ снижения потерь NH₃ при поверхностном внесении карбамида (Engel и др., 2011; Grant и др., 1996; Sanz-Cobena и др., 2008; Turner и др., 2010). В связи с этим мы сравнили потери NH₃ из карбамида с данной добавкой и без нее.
Количественное определение выделявшегося NH₃ проводилось микрометеорологическим способом с использованием участка в виде окружности (диамет­ром 40 м) с центральной стойкой, оборудованной пробоотборниками для улавливания NH₃. Данные измерения одновременно сопровождались исследованиями, проводимыми на тех же полях, где в микроделяночных опытах с повторноcтями количественно определялось использование азота озимой пшеницей из карбамида, обогащенного изотопом ¹⁵N. Мы гипотетически предположили, что: 1) кумулятивные потери NH₃ будут сильнее при внесении карбамида поздней осенью – зимой, то есть в зимний период, по сравнению с весной; 2) добавление NBPT снизит потерю NH₃ при внесении карбамида; 3) кумулятивные потери NH₃ будут в конечном итоге оказывать влияние на использование азота озимой пшеницей из карбамида.

Полевые опыты

Полевые опыты проводились в частных фермерских хозяйствах в центральной части штата Монтана в течение сезонов 2011/12, 2012/13 и 2013/14 гг. Опыты размещались на больших полях (> 60 га) с применением нулевой обработки почвы в зернопаровом севообороте с доминированием озимой пшеницы. Микрометеорологические эксперименты и мелкоделяночные опыты с повторностями по внесению карбамида, меченого ¹⁵N, проводились одновременно, но на пространственно разных участках в границах фермерских полей. Полевые опыты включали внесение двух форм азотных удобрений (карбамид и карбамид + NBPT) в три срока (поздняя осень, зима и весна). Первый срок внесения (поздняя осень) – в конце ноября – начале декабря примерно при промерзании почвы. Второй срок (зима) – в феврале на промерзшую почву. Третий срок (весна) – в апреле после оттаивания почвы и возобновления вегетации растений. Карбамид и карбамид + NBPT вносились в дозе 100 кг N/га. Карбамид был покрыт NPBT(1 г/кг) – жидким составом, продаваемым под торговой маркой Agrotain Ultra™ (Koch Agronomic Services LLC, г. Уичито, штат Канзас, США).

Зависимость потока NH₃ от времени

Измерения потока NH₃ показали, что его потери очень различаются после внесения карбамида в зимний (поздняя осень и зима) и весенний периоды (рис. 1). Во все годы после внесения карбамида поздней осенью и зимой поток NH₃ возрастал в течение 14-58 дней и достигал более высоких пиковых значений, чем при весеннем сроке внесения. В дальнейшем NH₃-эмиссионная активность сохранялась и не снижалась до номинального уровня(≤ 3 г N/га/ч) до 87-103 и 49-62 дня после внесения карбамида соответственно поздней осенью и зимой. Продолжительная NH₃-эмиссионная активность была отчасти результатом низких температур и засушливых условий, которые снижали или лимитировали активность уреазы. К тому же почва, как правило, промерзала вглубь от поверхности, что не позволяло карбамиду при выпадении осадков и таянии снега проникать за счет инфильтрации на такую глубину, откуда не происходит улетучивание NH₃ в атмосферу. После внесения карбамида поздней осенью и зимой кривая NH₃-эмиссионной активности иногда имела «пилообразный» вид (вверх-вниз) с сильной амплитудой колебаний в результате периодически формирующегося снежного покрова и циклов увлажнения и подсыхания почвы (рис. 2). Например, в опыте с позднеосенним внесением карбамида в 2012/13 гг. ослабление потока NH₃ при втором (26 декабря) – третьем (2 января) сроках отбора проб было результатом двух небольших снегопадов (5 и 2.5 см снега) на 10-й (22 декабря) и 21-й день (2 января) после внесения удобрений. Эти снегопады эффективно блокировали высвобождение NH₃ в атмосферу.

В дальнейшем накопленный снег таял, и эмиссионный поток NH₃ возобновлялся, о чем свидетельствует пик, наблюдавшийся 9-го января (рис. 2). Во все годы после внесения карбамида весной поток NH₃ был ниже по интенсивности и короче по продолжительности, чем после внесения поздней осенью и зимой. Весеннее внесение проводилось после оттаивания почвы, и выпадающие осадки способствовали инфильтрации карбамида на бóльшую глубину. К тому же в течение весеннего периода осадки были более обильными по сравнению с зимним периодом. Например, осадки, выпадавшие весной, часто превышали 12 мм, в то время как поздней осенью и зимой они обычно были в виде снега с выпадением менее 6 мм (водный эквивалент).
Зависимости потока NH₃ от времени для карбамида + NBPT свидетельствуют о том, что ингибитор уреазы был эффективен в снижении эмиссии NH₃, а также ее пиковых значений при трех сроках внесения удобрения. Данное ослабляющее влияние наиболее четко заметно на кривых, полученных при внесении удобрения поздней осенью и зимой. В начале – в течение первой недели от растворения гранул удоб­рения за счет использования NBPT поток NH₃ был снижен на 90-95%. В последствии эффект от NBPT ослаблялся, и кривые зависимости потока NH₃ от времени для карбамида и карбамида + NBPT сходились на 50-75 и 28-48 день после внесения удобрений соответственно поздней осенью и зимой (рис. 1).

Кумулятивные потери NH₃ и использование азота из удобрений растениями

Обобщение результатов нашего исследования за три года показало, что кумулятивные потери NH₃ (% от внесенного N) значительно зависели от срока внесения удобрений и от взаимодействия таких факторов, как срок внесения и использование NBPT (табл. 1). О взаимодействии вышеуказанных факторов свидетельствует тот факт, что уменьшение кумулятивных потерь NH₃ за счет использования NBPT было более сильным при внесении карбамида в зимний период (поздняя осень и зима) по сравнению с весенним. Проведенные множественные сравнения показали, что максимальные кумулятивные потери NH₃ наблюдались при применении карбамида поздней осенью, а при внесении зимой они располагались на втором месте. При применении карбамида + NBPT поздней осенью и зимой кумулятивные потери NH₃ достоверно не различались. Добавление NBPT снижало кумулятивные потери NH₃ из карбамида на 63.4, 63.2 и 70.0% при внесении удобрения соответственно поздней осенью, зимой и весной.

Величина использования ¹⁵N из карбамида озимой пшеницей (зерно + солома) в фазу полной спелости обратно коррелировала с величиной кумулятивных потерь NH₃ с полей, где проводились исследования (рис. 3). Сильная корреляция (R² = 0.77) свидетельствует о том, что улетучивание NH₃ – важный механизм потерь азота при поверхностном внесении карбамида в течение зимнего периода в условиях полуаридного климата. Это также подтверждается нашими данными о том, что добавление NBPT к карбамиду повышает использование ¹⁵N пшеницей из удобрения, особенно при его внесении поздней осенью и зимой.

Выводы

Данное трехлетнее исследование подтвердило нашу гипотезу о том, что внесение карбамида в зимний период (декабрь – март) ведет к бóльшим кумулятивным потерям NH₃ по сравнению с внесением весной после оттаивания почвы. В условиях полуаридного климата штата Монтана существует несколько факторов окружающей среды, которые, по всей вероятности, способствуют тому, что в течение зимнего периода карбамид подвергается бóльшим потерям азота в виде NH₃. После внесения карбамида поздней осенью и зимой обычно выпадали небольшие осадки (≤ 6 мм) и чаще всего в виде слабого снега, из чего следует, что удобрение, по-видимому, продолжительное время оставалось на поверхности почвы или вблизи нее. К тому же промерзшие слои почвы препятствовали нисходящему перемещению воды и растворенного в ней карбамида. После внесения карбамида весной, напротив, часто выпадали более обильные осадки (≥ 12 мм), что снижало NH₃-эмиссионную активность. В целом, выпадение малоинтенсивных, необильных осадков поздней осенью и зимой и более обильных осадков весной согласуется с данными многолетних наблюдений за климатом в полуаридных условиях северной части Великих равнин. В заключение необходимо отметить, что практический вывод данного исследования состоит в необходимости избегать внесения карбамида поздней осенью и зимой для обеспечения наибольшего положительного влияния на азотную составляющую почвенного плодородия и минимизации эмиссии NH₃ в атмосферу. Добавление NBPT (1 г/кг) позволяет снизить кумулятивные потери NH₃ из карбамида примерно на 2/3 по сравнению с необработанным удобрением. Однако лучшая управленческая стратегия – подождать с внесением карбамида до весны после оттаивания почвы, чтобы при этом была высокая вероятность выпадения обильных осадков, которые за счет инфильтрации обеспечили бы проникновение азота карбамида вглубь почвы, где он предохраняется от улетучивания в атмосферу в виде NH₃.

Упоминание какой бы то ни было торговой марки необязательно подразумевает какую-либо рекламу.

Д-р Энгель (e-mail: rengel@montana.edu) – адъюнкт-профессор Университета штата Монтана, г. Бозмен, штат Монтана (США). Д-р Ромеро – докторант Университета штата Монтана, д-р Джонс – специалист-консультант по плодородию почв Университета штата Монтана, д-р Дженсен – Директор по Северной Америке Международного института питания растений;e-mail: tjensen@ipni.net.

Литература

Engel, R.E., C. Jones, and R. Wallander. 2011. Soil Sci. Soc. Am. J. 75:2348-2357.

Engel, R.E., C. Jones, and T. Jensen. 2012. Better Crops. 96 (1):9-11.
Grant, C.A. et al. 1996. Can. J. Soil Sci. 76:417-419.
MCO-UM. Montana Climate Office, University of Montana. 2015. Climate Atlas
of Montana. The Montana Forest and Conservation Experiment Station.
(accessed 11 Aug. 2016).
Sanz-Cobena, A. et al. 2008. Agric. Ecosys. Environ. 126:243-249.
Turner, D.A. et al. 2010. Agric. Ecosys. Environ. 137:261-266.

Перевод с английского: В.В. Носов.