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 екоі 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. 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.

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 екоі 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.

Потепління клімату, як правило, веде до зменшення депонування СО2 в екоі 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 екоі агроекосистеми перетворюються на джерела викидів вуглекислоти 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 екоі 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 екоі 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 100 г 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:

Сг — маса вуглецю СО2, внаслідок мінералізації гумусу, тонн;

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

С (г+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.

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 ч+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:ч-64 кг або -80,6 ч -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 ч -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

Додатність балансу N за внесення побічної продукції не забезпечувало додатність балансу органічного вуглецю (-38,8 тонн) в агроценозах сівозмін з горохом і травами, тоді як у зазначених сівозмінах з внесенням гною формувався від'ємний баланс вуглецю, який виявився менш дефіцитним у 1,30−1,5 рази. Проте, додатність балансу N при використанні побічної продукції вплинула на баланс органічного вуглецю у ґрунті (+2,0−2,7 т або +0,40−0,54 т/га) у сівозміні з горохом та багаторічними травами. З внесенням гною від'ємність балансу N визначав від'ємність балансу вуглецю у ґрунті: -3,12 т (-0,63 т/га) у сівозміні з горохом та -0,93 т (-0,06 т/га) у сівозміні з багаторічними травами. При цьому Іб з вуглецю в агроценозах сівозмін незалежно від виду органічних добрив становив 56,6−62,2%, а Іб балансу вуглецю у ґрунті за використання побічної продукції у сівозміні з горохом становила 114,2%, а у сівозміні з багаторічними травами — 107,6%. За внесення гною у першому випадку Іб=59,4%, а у другому — 102,6%, що свідчить про ефективність використання гною і побічної продукції саме при насиченні сівозмін багаторічними травами.

Розрахунки показують, що на рівні з впливом виду органічних добрив і типу сівозміни, обробіток також впливав на колообіг N. Так, за систематичної оранки винос N урожаєм становив 645 кг; за безполицевого обробітку 628 кг, а за безполицевого мілкого обробітку — 475 кг. За квартильним розмахом винос N більш стабільним був за безполицевого обробітку, тоді як за оранки і поверхневого обробітку винос N був вищим у 1,24 і 1,23 рази.

Загальний винос N з агроценозу був найвищим за оранки (813 кг), тоді як за безполицевого і поверхневого обробітків меншим на 17 і 252 кг або 3,4 кг/га і 50,4 кг/га. Надходження N з побічною продукцією за оранки і безполицевого обробітку було однаковим (488 кг), а за поверхневого обробітку — нижчим на 38 кг. Загальне надходження N в агроценоз за глибоких обробітків становило 717−742 кг (143−148 кг/га), а за неглибокого безполицевого обробітку знижувалося на 105+ і 80 кг відповідно. Баланс N за оранки і безполицевого обробітку був від'ємним: -68,4 кг і -80,4 кг, тоді як за неглибокого безполицевого обробітку виявився додатнім +103 кг (20,6 кг/га). Інтенсивність балансу за глибоких обробітків становила 94,1−94,6%, а за неглибокого безполицевого обробітку — 122%.

Інтенсивність балансу вуглецю агроценозу і ґрунту мало значення нижче за 100% незалежно від способу обробітку ґрунту: 55,3−62,7% для вуглецю в агроценозах та 93,5−98,2% для балансу вуглецю у ґрунті. При цьому викиди СО2 і NО2 внаслідок мінералізації органічної речовини мають стійку тенденцію до зниження від оранки (СО2 — 77,5 т або 15,5 т/га) до безполицевого обробітку (67,9−68,5 т або 13,5 т/га) та 60,2 т (12,4 т/га) за неглибокого безполицевого обробітку. На величину викидів NО2 спосіб обробітку впливав мало: 21−23 кг (4,2−4,6 т/га).

Розрахунок показав (табл.), що вид органічних добрив впливає на рівень кореляційних зв’язків між виходом кормових одиниць та складовими азотного балансу. За внесення гною між продуктивністю сівозмін, загальним виносом азоту, надходженням з побічної продукції і загальним надходженням азоту виявлено прямий кореляційний зв’язок R=0,69±0,02; R=0,57±0,03 та R=0,87±0,02 відповідно, тоді як за внесення побічної продукції зв’язок підсилювався до рівня прямої сильної кореляції: R=0,82−0,88±0,03. При цьому баланс органічного вуглецю у ґрунті зі зростанням продуктивності сівозмін з внесенням гною був від'ємним, тоді як за внесення побічної продукції мав додатнє значення в усьому інтервалі типізованої продуктивності. В останньому випадку на одиницю зростання продуктивності припадала у 2,1 рази менша кількість виносу загального азоту, а надходження азоту з побічної продукції було у 2,13 рази вищим, ніж за внесення гною. За внесення гною між викидами СО2 від мінералізації та надходження азоту зв’язок був на рівні слабкого кореляційного зв’язку (R=0,28−0,30±0,05), тоді як при внесенні побічної продукції зв’язок був на рівні прямої сильної кореляції (R=0,79−0,85±0,02), а на одиницю виділеного СО2 від мінералізації побічної продукції приходилось 5,59 кг/га і 8,44 кг/га N побічної продукції та загального надходження азоту.

Таблиця. Значення коефіцієнтів кореляції та коефіцієнти регресії азото-вуглецевого обігу залежно від складових системи землеробства в агроценозах Лісостепу України

*коефіцієнти кореляції ® лінійної залежності між параметрами коефіцієнти регресії (b) у лінійних рівняннях залежностей між параметрами При цьому баланс Сорг у ґрунті у типізованому інтервалі викиду СО2 був додатнім, тоді як за внесення гною додатність балансу вуглецю супроводжувалась дефіцитністю балансу азоту у типізованому інтервалі викидів СО2 від мінералізації. Встановлено, що між продуктивністю сівозміни з горохом, загальним виносом азоту та надходженням азоту з побічної продукції та загальним його надходженням виявлено пряму кореляцію з виносом азоту на рівні R=0,57±0,03, а з надходженням азоту на рівні R=0,79−0,91±0,03. У сівозміні з травами зв’язок між продуктивністю та складовими балансу азоту послаблюється до середнього рівня за виносом і надходженням азоту від побічної продукції R=0,58−0,61±0,03, а за загальним надходженням азоту і продуктивністю культур виявлено пряму сильну кореляцію (R=0,73−0,83±0,02), а з балансом азоту зв’язок послаблюється до слабкого рівня (R=0,82−0,87±0,03). На одиницю зростання продуктивності культур у сівозмінах приходиться однакова кількість азоту незалежно від обробітку ґрунту. При цьому баланс Сорг у ґрунті в обох випадках був додатнім, а баланс Сорг в агроценозах складається спадаючи дефіцитним.

Оцінка впливу обробітку ґрунту на зв’язок продуктивності культур в агроценозах короткоротаційних сівозмін з складовими балансу азоту показує, що незалежно від способу обробітку між загальним виносом і надходженням азоту з побічної продукції виникають кореляційні зв’язки на рівні прямої сильної кореляції (R=0,73−0,83±0,02), тоді як зв’язок з загальним виносом азоту послаблюється до слабкого кореляційного зв’язку (R=0,32−0,37±0,02).

Визначено зв’язок між кількістю виділень СО2 від мінералізації та складовими балансу азоту. Незалежно від обробітку ґрунту між надходженням азоту з побічної продукції і кількістю СО2 установлено пряму сильну кореляцію (R=0,85−0,87±0,03), а з загальним надходженням азоту та його балансом зв’язок послаблюється до R=0,55−0,65±0,03, що свідчить про несуттєвість способів обробітку на взаємозв'язки між складовими азото-вуглецевого циклу в агроценозах різноротаційних сівозмін. На передній план управління азото-вуглецевим обігом впливають вид органічних добрив та тип сівозміни, спосіб обробітку ґрунту є підпорядкованим фактором в агроценозах.

Продукування СО2 залежно від типу сівозміни пов’язано з загальним надходженням азоту (R=0,71−0,94±0,03), а баланс азоту у сівозміні з горохом корелював з продуктивністю на рівні сильної прямої кореляції (R=0,72±0,03), тоді як у сівозміні з травами зв’язок послаблювався до слабкого рівня (R=0,41±0,03). Визначення впливу сівозмінного фактору на баланс Сорг у ґрунті показує, що у сівозміні з травами забезпечується додатність балансу у типізованому інтервалі викидів СО2, тоді як у сівозміні з горохом тренд балансу Сорг був зростаючим, а додатність балансу Сорг у ґрунті досягається за максимального надходження азоту побічної продукції та загального надходження, що одночасно знижує дефіцитність Сорг агроценозу до -30 т/га, тоді як у сівозміні з травами відбувається зростання дефіцитності балансу Сорг в агроценозі за рахунок вилучення маси багаторічних трав.

Маса виділеного СО2 від мінералізації органічної речовини була у прямій залежності з надходженням з побічної продукції (R=0,85−0,87±0,02), а з загальним надходженням азоту до агроценозу та балансом азоту зв’язок послаблювався до прямої кореляції середнього рівня (R=0,53−0,66±0,02). Коефіцієнти регресії у лінійних рівняннях між загальним виносом і надходженням азоту зменшилися у 1,21−1,79 рази, а з загальним надходженням зросли у 3,15 рази. Маса виділеного СО2 внаслідок мінералізації за поверхневого обробітку корелювала з складовими балансу азоту аналогічно глибоким обробіткам, але за коефіцієнтами регресії рівнянь залежності на одиницю викиду СО2 приходилося менша у 1,25 рази кількість азоту побічної продукції та у 1,9 рази менша зміна балансу азоту. У рівняннях регресії залежності продуктивності сівозмін та викидів СО2 з складовими балансу азоту коефіцієнти регресії були близькими за значеннями, що свідчить про несуттєвість впливу способу обробітку у зазначених процесах обігу біогенних елементів. За систематичного поверхневого обробітку вихід к. о. з 1 га в агроценозах сівозмін (аналогічно глибоким обробіткам) пов’язаний з загальним виносом та надходженням азоту сильною прямою кореляцією (R=0,72−0,79±0,02). Між продуктивністю та загальним виносом N рівень кореляційного зв’язку зріс до сильного прямого у противагу глибоким обробіткам.

Взаємодія між вуглецевим і азотовим обігом в агроценозах суттєво впливає на уміст азоту і вуглецю в сільськогосподарських культурах, дериті та органічній речовині грунту, а інтенсивність обігу N і вуглецю визначається співвідношенням С до N, як у ґрунті, так і у агроценозах вцілому [8,10]. Використання різних видів органічних добрив впливає на винос, як азоту та вуглецю. При внесенні гною винос азоту за межі агроценозів перевищує його надходження на 154 кг, тоді як при використанні побічної продукції, навпаки, надходження азоту в агроценоз перевищує його винос на 145 кг за рахунок надходження азоту з побічної продукції, яке перевищує надходження за внесення гною у 1,75 рази. Відповідно, винос Сорг. за внесення побічної продукції зростає на 7,6 тонн, а надходження Сорг. зростає у 2,10 рази у порівнянні з використанням гною.

Незалежно від від виду органічних добрив в агроценозах сівозмін залучено від 1424 до 1468 кг азоту (зростання за використання побічної продукції), а вуглецю в останньому випадку залучається у 1,48 рази більше, ніж за ви користання гною. Співвідношення С до N за загальним виносом при використанні побічної продукції у середньому становив 67 бо 1, проти 45 до 1 за використання гною, а за статтями надходження співвідношення С до N становило 53 до 1 та 28 до 1. За загальним обігом: 54 до 1 і 37 до 1 відповідно.

Вплив типу сівозміни на співвідношення С до N мало свої певні особливості: у сівозміні з горохом загальний винос азоту був вищим у 1,19 рази у порівнянні з сівозміною з травами. Надходження азоту з побічної продукції було вищим у 1,10 рази; загальне надходження було вищим у 1,05 рази, а кількість азоту у загальному обігу була вищою у 1,15 рази порівняно з сівозміною з травами.

У сівозміні з горохом винос Сорг. з агроценозів незалежно від типу становив 36,0−39,0 тонн, а надходження Сорг. було вищим у 1.23 рази, хоча загальна кількість Сорг. у агроценозах з горохом і травами було у межах 59,4−60,8 тонн. Співвідношення С до N за виносом у сівозміні з травами було вищим у 1,53 рази. Надходження азоту і вуглецю було у межах 39,5−41,7 тонн незалежно від типу агроценозу, хоча об'єм загального обігу С і N у сівозміні з травами було вищим у 1,24 рази порівняно із сівозміною з горохом. Вплив способу обробітку ґрунту на колообіг N зводився до того, що за безполицевого обробітку загальний винос, надходження і об'єм N в агроценозах зменшувався у 1,05, 1,03 і 1,09 рази відповідно, а надходження і загальна кількість Сорг. мав стійку тенденцію до зниження у 1,14, 1,12 і 1,13 рази, впливало на співвідношення С до N, значення якого за безполицевого обробітку зменшувалося у 1,05, 1,08 та 1,09 рази у порівнянні з використанням гною та соломи за оранки, що свідчить про зниження інтенсивності колообігу С і N за безплицевого обробітку, у ґрунті, так і агроценозі вцілому.

Виявлено, що більша кількість достовірних кореляційних обернених зв’язків між співвідношенням С до N перелічених вище статей балансуазоту і вуглецю була за використання різних видів органічних добрив: R= -0,55ч-0,81±0,02 за внесеного гною та R= -0,56ч-0,73±0,02 за внесення побічної продукції.

За різних способів обробітку ґрунту кореляційні зв’язки послаблювалися до слабкої оберненої кореляції з виносом та надходженням азоту за оранки, а суттєве посилення кореляційного зв’язку відбувалося між виносом та загальним обігом С і N та їхнім співвідношенням: R= -0,65ч-0,73±0,02. За безполицевого обробітку обернені достовірні кореляційні зв’язки виявлено з загальним обігом С і N та їх співвідношенням, а пдсилення зв’язку до середнього рівня значень з загальним виносом азоту.

У сівозміні з горохом між зазначеними параметрами азото-вуглецевого обігу кореляційні зв’язки були на рівні слабкої оберненої кореляції, а у сівозміні з травами до рівня значень R= -0,55ч-0,77±0,02. Еміся СО2 від мінералізації Сорг. у агроценозах за нормованим інтервалом значень становила 10,9−14,9 тонн при зростанні до 16,7 тонн за внесення побічної продукції. Емісія СО2 від мінералізації побічної продукції була вищою у 3,85−6,83рази, ніж від мінералізації гумусу і становила 41,4−102 тонни, зростаючи до 139 тонн за максимально-типовим значенням. Частка емісії СО2 від мінералізації гною і побічної продукції становила від 74% до 85%, а за максимальним значенням досягала 89−90%.

Висновки колообіг азот вуглецевий агроценоз

1. Колообіг азоту, являючись одним з основних лімітуючих факторів для прояву продуктивності та інтенсивності деструкційних процесів у агроценозах різного типу, суттєво впливає на обіг органічного вуглецю за використання різних видів органічних добрив при виконанні різних способів обробітку чорнозему в кліматичній системі Лісостепової зони України.

2. Використання гною у якості органічних добрив створює умови коли загальний винос азоту з агроценозів перевищує його надходження у типовому інтервалі зростання продуктивності, пов’язано з наростанням дефіцитності органічної речовини гумусу при надмірній мінералізації та виносу азоту. За використання у якості органічних добрив побічної продукції загальний винос азоту з агроценозів менший за його надходження з побічної продукції та мінеральних добрив, що супроводжується позитивністю балансу органічного вуглецю у ґрунті та скороченням його дефіцитності у агроценозі у цілому.

3. Вид органічного добрива впливає на емісію СО2 в атмосферу від їхньої мінералізації: за використання гною типовий інтервал викидів складає 25−85 тонн, тоді як за побічної продукції викиди зростають до 70−160 тонн, що супроводжується посиленим виносом азоту у порівнянні з його надходженням в агроценози у першому випадку і, навпаки, лінійно зростаючим надходженням загального азоту у порівнянні з його виносом за рахунок мінералізації побічної продукції у другому випадку. Одночасно відбувається зростання дефіцитності балансу вуглецю у ґрунті за внесення гною та його додатністю за використання побічної продукції, тобто відбувається розширене відтворення родючості чорнозему за безполицевого обробітку.

4. Вплив типу агроценозу на азото-вуглецевий обіг зводиться до того, що насичення сівозмін культурами з високим виходом побічної продукції (сівозміна з горохом) забезпечується лінійне зростання надходження азоту в типовому інтервалі зростання продуктивності за рахунок мінералізації побічної продукції і вивільнення азоту з неї, а при вилученні маси багаторічних трав темпи вилучення та надходження азоту вирівнюються, а за максимальної урожайності не компенсуються залишеною побічною продукцією та азотфіксацією, що призводить до зростання дефіцитності балансу вуглецю за оберненою лінійною залежністю, тоді як у сівозміні з горохом наростання дефіцитності вуглецю змінюється параболічно у типовому інтарвалі зростання продуктивності. Підвишена емісія СО2 у останньому випадку супроводжується зростаючим балансом вуглецю грунту та підвищенною продуктивністі агроценозу.

5. Влив способу обробітку чорнозему на азото-вуглецевий обіг зводиться до того, що за безполицевого обробітку, незалежно від виду органічного добрива та типу агроценозу, у інтервалі зростання продуктивності, баланс вуглецю у ґрунті був додатньо-зростаючим у порівнянні з оранкою, де характер наростання дефіцитності підпорядкований параболічності. Інтервал емісії СО2 у атмосферу від мінералізації за оранки був більш широким у порівнянні з безполицевим обробітком, що свідчить про посилення мінералізаціних процесів у ґрунті за однотипності азото-вуглецевого обігу, що визначає обробіток ґрунту, як підпорядкований блок типу сівозміни і виду органічних добрив у загальному обігу.

6. За внесення гною та вилучення побічної продукції з агроценозу за виконання оранки порушуєтся виваженність між азото-вуглецевим обігом, що супроводжується зниженням запасів наземного вуглецю у цілому і його складових (рослини, ґрунт, пул мікроорганізмів), що призводить до посилення автотрофного дихання і посиленним темпам розкладу детриту і гумусу, тобто зв’язок обіг вуглецю-клімат набуває позитивного значення. За такої моделі утримання агроценозу заміна оранки на безполицевий обробіток посилює процеси гуміфікації органічної речовини у ґрунті і, у незначній мірі, покращує вплив азото-вуглецевого обігу на міжрічну зміну приземного теплового ресурсу від емісії СО2 у атмосферу з агроценозу.

7. За використання побічної продукції у якості органічного добрива посилюється процес оптимізації азото-вуглецевого обігу у агроценозах різного типу, що призводить до зростання запасів наземного вуглецю при наростанні теплового ресурсу, який обумовлений посиленою емісією СО2 у атмосферу від мінералізації надлишку побічної продукції і вивільненню мінеральних форм азоту у ґрунт, що збільшує продуктивність агроценозів за рахунок «стимулюючого ефекту N» і поглинанню СО2 атмосфери. За таких обставин наростання парникового ефекту сприяє накопиченню органічного вуглецю у агроекосистемах і агроценозах, які набувають властивості стокових систем, тобто чим більш висока залежність продуктивності агроценозів від інтенсивності засвоєння азоту, який надійшов у систему агроценозу, тим швидше поглинаються викиди СО2 від мінералізації.

8. Залишення та використання у якості органічного добрива подрібненої побічної продукції рослинництва з достатньою азотною компенсацією мінеральними добривами, яка загортається у поверхневий шар чорнозему за систематичного безполицевого обробітку, моделює природний характер азото-вуглецевого обігу у агроценозах різного типу, а відтворення природної моделі ґрунтоутворення в агроценозах, на рівні з мікробіологічною активністю, забезпечується активізацією фотосинтетичної активності сільськогосподарських культур за рахунок відтворення стокових механізмів вуглецю при зростанні умісту СО2 у атмосфері і наростанні теплового ресурсу в агросистемах в цілому, що повинно бути базовою моделлю розширенного відтворення родючості чорноземів типових Лісостепу України.

Література

1. Авксентьев А. А. Эмиссия парниковых газов (СО2, N2O, CH4) чернозёма обыкновенного Каменной степи // А. А. Авксентьев / Автореферат дис. канд. биол. наук. — Воронеж. — 2011. 20 с.

2. Базилевич Н. И., Титлянова А. А. Биотический круговорот на пяти континентах: азот и зольные элементы в природных наземных экосистемах. Новосибирск: Изд_во СО РАН, 2008. 381 с.

3. Благодатский С. А., Ларионова А. А., Евдокимов И. В. Действие минеральных соединений азота на интенсивность дыхания и эффективность роста микроорганизмов в почве // Почвоведение. 1992. № 9. С. 88−96.

4. Балюк С. А. Розрахунок балансу гумусу і поживних речовин у землербстві України на різних рівнях управління // С. А. Балюк, М. В. Греков, А.В. Лісовий та ін. / Харків: КП «Міська друкарня». — 2011. — 30с.

5. Крапивин ВФ., Свирежев Ю. М., Тарко А. М. Математическое моделирование глобальных биосферных процессов. М.: Наука, 1982. 272 с.

6. Кудеяров В. Н. Азотный цикл и продуцирование закиси азота // Почвоведение. 1999. № 8. С. 988−998.

7. Моисеев Н. Н., Александров В. В., Тарко А. М. Человек и биосфера. Опыт системного анализа и эксперименты с моделями. М.: Наука, 1985. 272 с.

8. Ратмир А. П. Описание процесса аммонификации в рамках модели трансформации углерода и азота в почве // Проблемы агрохимии и екологии, 2011, № 4, С25−28.

9. Чимитдоржиева Э. О. Запасы углерода в чернозёмах и каштановых почвах Забайкалья и эмисия СО2 // Э. О. Чимитдоржиева / Автореферат дис. канд. биол. наук. — Улан-Удэ. — 2011. 21 с.

10. Голубятников Л. Л. Цикл азота в земной климатической ситеме // Л. Л. Голубятников, И. И. Мохов, А. В. Елисеев / Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2013, том 49, № 3, с. 255−270.

11. Friedlingstein P., Cox P., Betts R.A. et al. Climate_carbon cycle feedback analysis: Results from the C4MIP model intercomparison // J. Climate. 2006. V. 19. № 22. P. 3337−3353.

12. Canadell J.G., Pataki D.E., Gifford R. et al. Saturation of theterrestrial carbon sink / Eds: Canadell J.G., Pataki D.E., Pitelka L. Terrestrial ecosystems in a changing world. The IGBP Series. V. XXIV. N.Y.: Springer_Verlag, 2007. P. 59−73.

13. Cox P.M., Betts R.A., Jones C.D. et al. Modelling vege_tation and the carbon cycle as interactive elements ofthe climate system / Ed. Pearce R. Meteorology at the millennium. N.Y.: Academic Press, 2001. P. 259−279.

14. Denman K.L., Brasseur G., Chidthaisong A. et al. Couplings between changes in the climate system and bio_geochemistry / Eds: Solomon S., Qin D., Manning M. et al. Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Cambridge: Cambridge Univ. Press. 2007. P. 499−588.

15. Кapshtyk M.V., Demydenco O. V/ The ways to ecologically balanced development of agro ecosystems in the Forest-steppe zone of Ukraine // International Journal of Agricultural Research and Review: ISSN -2360−7971: Vol. 2(8): pp 092−098, August, 2014.

16. Rosswall T. The nitrogen cycle / Eds: Bolin B., Cook R.B. SCOPE 21: The major biogeochemical cycles and theirinteractions. N.Y.: Wiley, 1983. P. 46−50.

17. Sabine C.L., Heimann M., Artaxo P. et al. Current statusand past trends of the global carbon cycle / Field C.B., Raupach M.R. (Eds.) SCOPE 62: The global carbon cycle. London: Island Press, 2004. P. 17−44.

18. Sokolov A.P., Kicklighter D.W., Melillo J.M. et al. Consequences of considering carbon_nitrogen interactions on the feedbacks between climate and the terrestrial carbon cycle // J. Clim. 2008. V. 21. № 15. P. 3776−3796.

19. Thornton P.E., Lamarque J.(F., Rosenbloom N.A. et al. Influence of carbon_nitrogen cycle coupling on landmodel response to CO2 fertilization and climate variability // Global Biogeochem. Cycles. 2007. V. 21. GB4018. 76.

20. Thornton P.E., Doney S.C., Lindsay K. et al. Carbonnitrogen interactions regulate climate-carbon cycle feedbacks: results from an atmosphereocean general circulation model // Biogeosciences. 2009. V. 6. P. 2099;2120.

21. Vitousek P.M., Howarth R.W. Nitrogen limitation on land and in the sea: How can it occur? // Biogeochemistry. 1991. V. 13. P. 87−115.

22. Zaehle S., Dalmonech D. Carbon_nitrogen interactions on land at global scales: current understanding in modelling climate biosphere feedbacks // Curr. Opin. Environ. Sustain. 2011. V. 3. P. 311−320.

Додаток