Влияние возделываемых культур и удобрений на дыхание почвы (Длительный опыт Тимирязевской сельскохозяйственной академии)

Исследование посвящено оценке влияния возделываемых культур и вносимых удобрений на дыхание почвы – самый мощный поток СО2 из наземных экосистем в атмосферу. В качестве объекта выступал Длительный полевой опыт Тимирязевской сельскохозяйственной академии, где для проведения измерений были выбраны ключевые культуры Нечерноземья – озимая рожь, ячмень, картофель, а также чистый пар, которые включены в севооборот с известкованием и внесением различных вариантов удобрений. Измерения проводились методом закрытых динамических камер с помощью портативных инфракрасных газоанализаторов с мая 2023 по апрель 2024 г. Они были разделены на две серии: вегетационный период и период с оголенной почвой, границей между которыми служила вспашка. При сопоставлении дыхания почвы за вегетационный период по отдельным делянкам было получено, что для большинства из них характерен большой разброс значений, а скорости эмиссии СО2 статистически не отличаются. Выявленные для некоторых делянок зависимости дыхания почвы от температуры воздуха и влажности почвы не носят всеобщий характер. Двухфакторный дисперсионный анализ показал значимое влияние культуры и удобрений на дыхание почвы по отдельности, но несущественность их совместного воздействия. Скорость эмиссии СО2 из почвы закономерно возрастала по вариантам: без удобрений < NPK < NPK + навоз, а при осреднении по культурам увеличивалась в ряду картофель < чистый пар < ячмень < озимая рожь. Для содержания органического углерода и общего азота в почве выявленные последовательности повторялись для вариантов удобрений и не повторялись для культур, где более важными факторами были признаны предшественник в севообороте и положение участка в микрорельефе. В период с оголенной почвой осреднение проводилось по вариантам удобрений, значимых различий между которыми не было выявлено, а по количественным оценкам дыхание почвы под снежным покровом было ниже в 10‒20 раз, чем в вегетационный период.

1. Завьялова Н.Е., Васбиева М.Т., Фомин Д.С. Микробная биомасса, дыхательная активность и азотфиксация в дерново-подзолистой почве Предуралья при различном сельскохозяйственном использовании // Почвоведение. 2020. № 3. С. 372–378. https://doi.org/10.31857/S0032180X20030120

2. Курганова И.Н., Гончарова О.Ю., Замолодчиков Д.Г., Карелин Д.В., Лопес де Гереню В.О., Мошкина Е.В., Осипов А.Ф., Суховеева О.Э., Хорошаев Д.А. Определение эмиссии СО2 из почв камерным методом в различных типах экосистем. М.: Перо, 2024. 28 с.

3. Лошаков В.Г. Прошлое и настоящее Длительного опыта МСХА им. К.А. Тимирязева // Агрохимия. 2013. № 12. С. 75–80.

4. Лукин С.М. Эмиссия углекислого газа в агроценозах картофеля на дерново-подзолистой супесчаной почве // Владимирский земледелец. 2015. № 3–4 (74). С. 22–23.

5. Мазиров И.М., Боротов Б.Н., Лакеев П.С., Щепелева А.С., Васенев И.И. Почвенные потоки углекислого газа в агроэкосистемах в условиях Московского региона // Земледелие. 2015. № 8. С. 17–19.

6. Мазиров М.А., Арефьева В.А. Краткий обзор результатов научных исследований в мировых длительных полевых опытах // Теоретические и технологические основы воспроизводства плодородия почв и урожайность сельскохозяйственных культур: матер. Международ. науч.-практич. конф. М.: Изд-во РГАУ-МСХА, 2012. С. 23–31.

7. Мазиров М.А., Сафонов А.Ф. Длительный полевой опыт РГАУ-МСХА: сущность и этапы развития // Изв. ТСХА. 2010. Вып. 2. С. 66–75.

8. Савоськина О.А., Полин В.Д. Влияние длительного применения удобрений и известкования на дыхание дерново-подзолистой почвы при возделывании полевых культур бессменно и в севообороте // Агрофизика. 2015. № 4. С. 26–30.

9. Хитров Н.Б. Почвы Длительного полевого опыта ТСХА // Изв. ТСХА. 2012. Вып. 3. С. 62–78.

10. Чистотин М.В., Сафонов А.Ф. Динамика дыхания агродерново-подзолистой почвы в зависимости от содержания органического вещества и метеорологических факторов // Проблемы агрохимии и экологии. 2016. № 3. С. 52–58.

11. Шилова Н.А. Динамика выделения СО2 в посевах полевых культур на дерново-подзолистых и торфяных почвах // Почвоведение и агрохимия. 2014. № 1. С. 104–112.

12. Adhikari K., Anderson K.R., Smith D.R., Owens P.R., Moore Jr.P.A., Libohova Z. Identifying key factors controlling potential soil respiration in agricultural fields // Agricultural & Environ. Let. 2023. Vol. 8. Art. e20117. https://doi.org/0.1002/ael2.20117

13. Anokye J., Logah V., Opoku A. Soil carbon stock and emission: estimates from three land-use systems in Ghana // Ecological Processes. 2021. Vol. 10. Art. 11. https://doi.org/10.1186/s13717-020-00279-w

14. Apostolakis A., Schöning I., Michalzik B., Klaus V.H., Boeddinghaus R.S., Kandeler E., Marhan S., Bolliger R., Fischer M., Prati D., Hänsel F., Nauss T., Hölzel N., Kleinebecker T., Schrumpf M. Drivers of soil respiration across a management intensity gradient in temperate grasslands under drought // Nutrient Cycling in Agroecosystems. 2022. Vol. 124. P. 101–116. https://doi.org/10.1007/s10705-022-10224-2

15. Bond-Lamberty B., Ballantyne A., Berryman E., FluetChouinard E., Jian J., Morris K.A., Rey A., Vargas R. Twenty years of progress, challenges, and opportunities in measuring and understanding soil respiration // J. of Geophysical Research: Biogeosciences. 2024. Vol. 129. Art. e2023JG007637. https://doi.org/10.1029/2023JG007637

16. Brito L.F., Azenha M.V., Janusckiewicz E.R., Cardoso A.S., Morgado E.S., Malheiros E.B., La Scala N.Jr., Reis R.A., Ruggieri A.C. Seasonal fluctuation of soil carbon dioxide emission in differently managed pastures // Agronomy J. 2015. Vol. 107. P. 957–962. https://doi.org/10.2134/agronj14.0480

17. Cerhanová D., Kubát J., Nováková J. Respiration activity of the soil samples from the long-term field experiments in Prague // Plant, Soil and Environment. 2006. Vol. 52. P. 21–28.

18. Francioni M., Trozzo L., Toderi M., Baldoni N., Allegrezza M., Tesei G., Kishimoto-Mo A.W., Foresi L., et al. Soil respiration dynamics in Bromus erectusdominated grasslands under different management intensities // Agriculture. 2020. Vol. 10. Art. 9. https://doi.org/10.3390/agriculture10010009

19. Gelybó G., Barcza Z., Dencső M., Potyó I., Kása I., Horel Á., Pokovai K., Birkás M., Kern A., Hollós R., Tóth E. Effect of tillage and crop type on soil respiration in a long-term field experiment on chernozem soil under temperate climate // Soil and Tillage Res. 2022. Vol. 216. Art. 105239. https://doi.org/10.1016/j.still.2021.105239

20. Hammer Ø., Harper D.A.T., Ryan P.D. PAST: Paleontological Statistics Software Package for Education and Data Analysis // Palaeontologia Electronica. 2001. Vol. 4 (1). 9 p.

21. Johnston A.E., Poulton P.R. The importance of long-term experiments in agriculture: their management to ensure continued crop production and soil fertility; the Rothamsted experience // European J. of Soil Sci. 2018. Vol. 69 (1). P. 113–125. https://doi.org/10.1111/ejss.12521

22. Kong D., Liu N., Wang W., Akhtar K., Li N., Ren G., Feng Y., Yang G. Soil respiration from fields under three crop rotation treatments and three straw retention treatments // PLoS One. 2019. Vol. 14 (9). Art. e0219253. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0219253

23. Körschens M. The importance of long-term field experiments for soil science and environmental research – A review // Plant, Soil and Environment. 2006. Vol. 52. P. 1–8.

24. Körschens M. Long-Term Field Experiments (LTEs) – Importance, Overview, Soil OrganicMatter. In: Exploring and Optimizing Agricultural Landscapes. Innovations in Landscape Research / L. Mueller, V.G. Sychev, N.M. Dronin, F. Eulenstein (Eds.). Springer, 2021. P. 215–231. https://doi.org/10.1007/978-3-030-67448-9_8

25. Kulachkova S.A., Derevenets E.N., Korolev P.S., Pronina V.V. The Effect of Mineral Fertilizers on Soil Respiration in Urban Lawns // Moscow Univ. Soil Sci. Bul. 2023. Vol. 78. P. 281–291. https://doi.org/10.3103/S0147687423030080

26. Lei N., Wang H., Zhang Y., Chen T. Components of respiration and their temperature sensitivity in four reconstructed soils // Scientific Reports. 2022. Vol. 12. Art. 6107. https://doi.org/10.1038/s41598-022-09918-y

27. Li W., Wang J., Li X., Wang S., Liu W., Shi S., Cao W. Nitrogen fertilizer regulates soil respiration by altering the organic carbon storage in root and topsoil in alpine meadow of the north-eastern Qinghai-Tibet Plateau // Scientific Reports. 2019. Vol. 9. Art. 13735. https://doi.org/10.1038/s41598-019-50142-y

28. Morris K.A., Hornum S., Crystal-Ornelas R., Pennington S.C., Bond-Lamberty B. Soil respiration response to simulated precipitation change depends on ecosystem type and study duration // J. of Geophysical Research: Biogeosciences. 2022. Vol. 127. Art. e2022JG006887. https://doi.org/10.1029/2022JG006887

29. Rochette P., Hutchinson G.L. Measurement of Soil Respiration in situ: Chamber Techniques. In: Micrometeorology in Agricultural Systems / J.L. Hatfield, J.M. Baker (Eds.). ASA, 2005. P. 247–286. https://doi.org/10.2134/agronmonogr47.c12

30. Sosulski T., Szymańska M., Szara E., Sulewski P. Soil Respiration under 90 Year-Old Rye Monoculture and Crop Rotation in the Climate Conditions of Central Poland // Agronomy. 2021. Vol. 11. Art. 21. https://doi.org/10.3390/agronomy11010021

31. Wang J., Xie J., Li L., Effah Z., Xie L., Luo Z., Zhou Y., Jiang Y. Fertilization treatments affect soil CO2 emission through regulating soil bacterial community composition in the semiarid Loess Plateau // Scientific Reports. 2022. Vol. 12. Art. 20123. https://doi.org/10.1038/s41598-022-21108-4

32. Wang Y., Li Q., Li C. Organic fertilizer has a greater effect on soil microbial community structure and carbon and nitrogen mineralization than planting pattern in rainfed farmland of the Loess Plateau // Frontiers in Envir. Sci. 2023. Vol. 11. Art. 1232527. https://doi.org/10.3389/fenvs.2023.1232527

33. Ward D., Kirkman K., Hagenah N., Tsvuura Z. Soil respiration declines with increasing nitrogen fertilization and is not related to productivity in long-term grassland experiments // Soil Biology and Biochemistry. 2017. Vol. 115. P. 415–422. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2017.08.035

34. Yang L., Pan J., Wang J., Tian D., Zhang C., Zhao X., Hu J., Yang W., Yan Y., Ma F., Chen W., Quan Q., Wang P., Niu S. Soil microbial respiration adapts to higher and longer warming experiments at the global scale // Environ. Res. Lett. 2023. Vol. 18 (3). Art. 034044. https://doi.org/10.1088/1748-9326/acbecb

35. Yang S., Xiao Y., Xu J. Organic fertilizer application increases the soil respiration and net ecosystem carbon dioxide absorption of paddy fields under water-saving irrigation // Environ. Sci. and Pollution Res. 2018. Vol. 25. P. 9958–9968. https://doi.org/10.1007/s11356-018-1285-y

36. Yilmaz G. Seasonal variations in soil CO2 emissions under continuous field crop production in semi-arid southeastern Turkey // Appl. Ecology and Environ. Res. 2019. Vol. 17. P. 6563–6579. https://doi.org/10.15666/aeer/1703_65636579

37. Zapata D., Rajan N., Mowrer J., Casey K., Schnell R., Hons F. Long-term tillage effect on with-in season variations in soil conditions and respiration from dryland winter wheat and soybean cropping systems // Scientific Reports. 2021. Vol. 11. Art. 2344. https://doi.org/10.1038/s41598-021-80979-1