Функционирование выработанной торфяно-болотной экосистемы

Рассмотрим динамику почвенных режимов на примере исследований в 1986 году, характеризующемся как средний по условиям влагообеспеченности и холодный по теплообеспеченности, а также в 1987 году - влажном по влагообеспеченности и среднем по теплообеспеченности.

Погодные условия. Устойчивый осенний переход температуры воздуха через 10 0С был отмечен 4 сентября 1985 г., через 5 0С - 6 октября и через 0 0С - 25 октября. Период с отрицательными температурами продолжался 170 дней. Зима 1985-1986 гг. была снежной и теплой. Средняя температура воздуха за период 10.85-04.86 гг. составила - 9,1 0С (обеспеченность 26,3 %). Сумма выпавших осадков за этот период была равна 271,8 мм (табл. 25).

Зима 1986 - 1987 г.г. характеризовалась резкими перепадами температур. Сумма выпавших осадков за зимний период составила 186 мм, что

на 23 мм меньше нормы.              Средняя

температура воздуха за период с октября 1986 по апрель 1987 годов была равна - 13,1°С. Устойчивый весенний              переход

через 0°С был отмечен 10 апреля, через 5°С - 30 апреля, 10°С - 10 мая.

Запасы воды в снеге на 3 апреля 1986 г. на объекте

-5

составили 94,8 мм при средней плотности снега 0,18 г/см и средней высоте 53,5 см. Сход снега отмечен 21-22 апреля. Устойчивый весенний переход температуры воздуха через 0 0С отмечен 14 апреля, через 5 0С - 9 мая и через 10 0С - 17 мая. В 1987 году запасы воды в снеге на 10 марта на

-5

объекте были определены в 153 мм при средней плотности снега 0,22 г/см и средней высоте 70 см. Сход снега отмечен, как и в 1986 году, 21 апреля.

Распределение осадков в течение вегетационного периода отличалось крайней неравномерностью. Наибольшее количество атмосферных осадков в 1986 году выпало в августе - 123,1 мм (обеспеченность 10,3 %), что на 51,5 мм больше нормы, а в 1987 году в июне - 113,6 мм, что на 55 мм больше нормы.

По условиям теплообеспеченности самым жарким оказался июнь - среднемесячная температура 19,6 0С (обеспеченность 22,6 %). Май, август и сентябрь были близки к среднемноголетним условиям. В 1987 году самыми жаркими были июль и август - при среднемесячной температуре 0С и 17,6 0С соответственно.

Продолжительность вегетационного периода составила в 1986 году 154 дня, сумма эффективных температур воздуха была равна 1815,40С, а в 1987 году соответственно, 164 дня и 1678°С.

Водный и агрохимический режим. В начале вегетации 1986 г. влажность в торфяной залежи поддерживалась в пределах, оптимальных для произрастания многолетних трав. В первой декаде июня отмечается стабильное увеличение запасов влаги во всем торфяном профиле, что объясняется подъемом уровня грунтовых вод (рис. 34). В период активной вегетации (с 20 июня по 20 августа) запасы влаги в метровой толще торфа снижались до влажности разрыва капилляров (0,5 ПВ), и только в третьей декаде августа вновь увеличились до оптимальных, вследствие выпадения обильных осадков.

Таким образом, рост и развитие многолетних трав происходит в условиях дефицита влаги.

При сложившихся погодных условиях 1987 года водновоздушный режим отличался следующими особенностями: уровень грунтовых вод не поднимался в среднем выше 52 см, (экстремальные значения 68-113см), в мае он находился на глубине 70-90 см., а в июне опускался до 113 см. Если мощность корнеобитаемого слоя принять за 30 см, то становится ясно, что обеспечение трав влагой происходило за счёт атмосферных осадков. В связи с равномерным и обильным выпадени-

ем осадков запасы влаги в слое 0-30 и 0-50 см были довольно постоянны и близки к значению 0,7 ПВ.

В течение вегетационного периода под влиянием различных факторов содержание элементов питания в торфяной залежи постоянно изменялось. Ниже динамика питательных элементов рассматривается на трех, наиболее различающихся вариантах: на контроле, на варианте с минимальным количеством удобрений (N60P60K60) и на варианте с максимальной дозой удобрений (N120P60K120).

Результаты исследований динамики элементов азотного питания показывают, что для рассматриваемых вегетационных периодов характерно преобладание аммонийных соединений, как без удобрений, так и при внесении аммиачной селитры.

Содержание аммонийного азота не зависит от количества и сроков внесения азотных удобрений. Так, среднее содержание N-NH4 за вегетационный период 1986 года в слое 0-20 см на контрольном и удобренном вариантах колеблется в пределах 10,0-11,3 мг на 100 г почвы (табл. 26). Следует отметить, что образование аммонийного азота определяется условиями увлажненности почвы.

Как известно (Уланов, 1985; Фёдоров, 1980; Хан и др., 1980), для процесса нитрификации необходимо оптимальное сочетание гидротермических условий. В 1986 году на выработанном торфянике, характеризующемся неудовлетворительными температурными условиями и недостаточным увлажнением в период активной вегетации, количество нитратов в слое 0-20 см изменялось в незначительных пределах: 0,5-5,3 мг на 100 г почвы. Некоторые авторы (Леуто, Бойко, 1979; Фёдоров, 1980) считают, что уменьшение или отсутствие N-NO3 в торфяной залежи в период активной вегетации объясняется использованием азота нитратов многолетними травами. Поэтому даже при внесении азотных удобрений содержание N-NO3 увеличивалось в пахотном слое в среднем за вегетационный период только на 4,4 мг на 100 г почвы.

Как выше уже отмечалось, в отличие от 1986 года, 1987-ой характеризовался как влажный и сравнительно теплый. В профиле торфяной залежи отмечались оптимальные гидротермические условия, что оказало влияние на накопление элементов питания в торфе.

В 1987 году содержание аммонийного азота в слое 0-20 см в контрольном варианте значительно превышало нитратный азот, что свидетельствует о высокой обеспеченности многолетних трав азотным питанием на этом варианте.

Преимущественно аммонийный тип питания в рассматриваемых торфяниках свидетельствует о преобладании процесса аммонификации над нитрификацией, что довольно характерно для оставшейся залежи выработанных торфяников (Леуто, Бойко, 1979; Хан и др., 1980).

Одним из показателей плодородия почвы является содержание в ней минерального азота, который представляет собой суммарное выражение интенсивности процессов аммонификации, нитрификации, денитрификации и иммобилизации азота. Градации обеспеченности торфяников минеральным азотом нет, однако, в работе Т.П. Славниной (1974) указывается, что содержание в сумме 10-15 мг на 100 г почвы минерального азота должно «удовлетворять самые высокие потребности растений в азотной

пище». В целом, изучаемый торфяник обеспечен минеральным азотом преимущественно за счет его аммонийных соединений.

На удобренных делянках в начале вегетации содержание минерального азота в слое 0-20 см в 2-2,5 раза выше, чем на контроле, что способствовало формированию более сбалансированного пищевого режима многолетних трав.

Подвижные соединения фосфора. Общее количество подвижных фосфатов в слое 0-20 см на всех вариантах колеблется в широких пределах: от 6,0 до 94,0 мг на 100 г почвы. Обеспеченность характеризуется соответственно от низкой до очень высокой.

К первой декаде июля 1986 года отмечается снижение содержания подвижного фосфора до 6-27 мг на 100 г почвы, что связано как с потреблением его соединений растениями, так и с недостаточным увлажнением этого слоя на данный период. Второй минимум отмечается в августе, что объясняется активной вегетацией трав после первого укоса. К осени количество фосфатов увеличивается.

Несмотря на то, что количество подвижных фосфатов, вносимых с удобрениями, на всех вариантах одинаково, его содержание на варианте Ni20P6oKi20 выше, что свидетельствует о более интенсивной минерализации органического вещества торфа при более высокой дозе внесения азота и калия.

В течение вегетационного периода 1987 года при достаточном увлажнении торфяника по всем вариантам отмечалось высокое содержание подвижного фосфора, причём, наибольшее содержание его отмечалось на варианте N6oP6oK6o.

Как известно (Иванов, 1962 и др.), содержание подвижных фосфатов находится в зависимости от количества Fe2+ и Fe3+, причем, с двухвалентным железом образуются подвижные фосфаты железа, а с трехвалентным - труднорастворимые. Так, количество доступного для растения фосфора прямо пропорционально содержанию подвижного Fe2+ (рис. 35). Кривая связи Р2О5 с Fe2+ на контроле описывается

линейной зависимостью. Внесение удобрений несколько изменяет характер связи.

Подвижные соединения калия. При освоении выработанных торфяников особое значение в повышении урожайности многолетних трав принадлежит калийным удобрениям. Содержание обменного калия увеличивается при внесении удобрений от 11,0 до 133,0 мг на 100 г почвы, обеспеченность - соответственно от низкой до очень высокой.

Из вышеизложенного следует, что внесение на выработанный торфяник минеральных удобрений способствует увеличению его эффективного плодородия, т.е. увеличивается обеспеченность элементами питания растений.

Динамика биологической активности. В весенний период 1986 года в условиях низкой температуры и сравнительно высокой влажности интенсивно развивались в основном аммонификаторы и олигонитрофилы. Наиболее многочисленной была их ассоциация по всем вариантам в верхних горизонтах торфяной залежи (табл. 27).

Таблица 27 Динамика численности микроорганизмов в слое 0-20 см в1986-1987 годах, млн/г с.п.

Примечание: I- контроль, II - N60P6oK6o, III - N120P60K120, «-» — не определяли

Внесение удобрений в дозе N60P60K60 стимулировало развитие аммо- нификаторов, олигонитрофилов и микроорганизмов, усваивающих минеральный азот. Нитрификаторы, денитрификаторы, грибы были даже более многочисленны на варианте Ni20P60Ki20. Есть основания предполагать, что ранней весной в минерализации органического вещества торфа участвуют в большей степени аммонификаторы и олигонитрофилы.

В летний период после первого укоса многолетних трав на контрольном варианте численность аммонификаторов, олигонитрофилов, микроорганизмов, усваивающих минеральные формы азота, грибов возросла в 1,5-2 раза. Причем, самой многочисленной была ассоциация олигонитрофилов. Нитрификаторы в торфе не были обнаружены. В активизации микрофлоры в летний период большое влияние оказывают удобрения.

В варианте с N60P60K60 количество аммонификаторов возросло в 3 раза, олигонитрофилов - в 2 раза, микроорганизмов, усваивающих минеральные формы азота - в 5,5 раз, нитрификаторов - в 4 раза, денитрифика- торов - в 16 раз.

В варианте с N120P60K120 численность всех микробных ассоциаций также резко возросла, а микроорганизмы, усваивающие минеральный азот, нитрификаторы и грибы были многочисленнее, чем в варианте с N60P60K60.

Важно также отметить, что в летний период при влажности торфяного слоя ниже оптимальной и благоприятном температурном режиме отмечается увеличение биологической активности (рис. 36).

Рис. 36 Численность микроорганизмов: аммонификаторы (а); микроорганизмы, растущие на КАА (b); олигонитрилы (с). N - число микроорганизмов. Варианты: I - контроль, II - N60P60K6o, III - Ni2oP6oKi20

Весной 1987 года в условиях низкой температуры и сравнительно высокой влажности торфа отмечалась слабая микробиологическая активность. В этот период в торфе развивались в основном аммонификаторы,

микроорганизмы, растущие на КАА и олигонитрофилы. Численность де- нитрификаторов и грибов была незначительной. Нитрификаторы не были обнаружены, вероятно, в силу их очень слабой активности.

Внесение минеральных удобрений стимулировало развитие микрофлоры в разной степени. Наиболее эффективной была доза N120P60K120, доза N60P60K60 существенного влияния не оказала. В летние месяцы в период активного роста многолетних трав, оптимального температурного режима численность микроорганизмов по всем вариантам резко возросла в верхнем горизонте торфяного профиля и распространилась до глубины 60 см.

Активность проявили все физиологические группы, в том числе и нитрификаторы. Нитрификаторы в контрольном варианте активизировались в июле, а в вариантах с минеральными удобрениями в июне. Пик микробиологической активности приходился на июль. Численность всех микроорганизмов была самой высокой по варианту N120P60K120 : аммони- фикаторов и микроорганизмов, растущих на КАА было в 4 раза, олигонит- рофилов и нитрификаторов в 6 раз, а денитрификаторов в 7 раз больше, чем в торфяном профиле без удобрений. По варианту N60P60K60 численность большинства физиологических групп микроорганизмов была на уровне контрольного варианта. Исключение составляли нитрификаторы и денитрификаторы, количество которых было примерно в 2 раза больше. В сентябре численность микроорганизмов по всем вариантам резко сократилась.

Таким образом, исследования показали, что активность микрофлоры в торфянике в наибольшей степени определяется гидротермическим режимом. Активно стимулирует развитие микрофлоры полное минеральное удобрение в дозе N120P60K120

Интенсивность выделения торфяником углекислоты можно рассматривать как суммарную характеристику ее биологической активности. Ряд исследователей (Звягинцев, 1976; Переверзев и др., 1970; Матулене, 1975) считают, что сезонная динамика “дыхания” почвы является одним из наиболее достоверных показателей ее биологической активности. Наши исследования показали, что самая низкая интенсивность выделения СО2 приходится на май, самая высокая - на июль (рис. 37).

В сентябре на контроле и на варианте N60P60K60 наблюдалось некоторое снижение интенсивности почвенного дыхания. По этим вариантам отмечена корреляционная связь интенсивности почвенного дыхания с общей численностью микроорганизмов. И только денитрификаторы продолжали интенсивно развиваться.

Отмеченные выше закономерности характерны и для целлюлозоразрушающих организмов, об активности которых можно судить по степени разложения льняной ткани (табл. 28). Быстрее всего ткань разлагалась в верхних горизонтах (0-20, 20-40 см).

В нижних слоях ее разложение было крайне слабым. В период с 10 июня по 25 июля разложение целлюлозы в слое 0-20 см составляло по вариантам: контроль - 33,2%, N60P60K60 - 25,5%, N120P60K120 - 36,1%. В другие сроки - с 26 июля по 8 сентября и с 9 сентября по 14 октября наибольшая убыль в весе ткани отмечена в вариантах с минеральными удобрениями.

Причем самая высокая целлюлоли- тическая активность отмечена в период с 26 июля по 8 сентября на всех вариантах опыта (рис. 38).

Проведённые исследования показали, что в остаточном слое торфа на протяжении всего вегетационного периода в микрофлоре преобладали

микробные ассоциации, участвующие в процессе аммонификации. Нитрификация явно сдерживалась даже при благоприятном гидротермическом режиме. Можно предположить, что основным сдерживающим фактором в данном случае является высокое содержание в торфе закисного железа. Неблагоприятный температурный режим в исследуемом торфянике наблюдался лишь в мае и сентябре-октябре.

Следовательно, минерализация органического вещества на данном этапе освоения выработанного торфяника при наблюдаемом водновоздушном режиме (повышенная влажность весной и осенью и дефицит влаги летом) идет медленно. Об этом же свидетельствует и тот факт, что коэффициент минерализации (КАА/МПА - отношение микроорганизмов, растущих на КАА, к количеству микроорганизмов, растущих на МПА) по всем вариантам опыта на про

тяжении всего вегетационного периода постоянно был близок к 1. Последнее свидетельствует также о равномерности процессов минерализации и гумификации. Наибольшей активностью, а значит и приспособленностью к сложившимся условиям, характеризовались аммонифицирующие микроорганизмы, осуществляющие первый этап минерализации - аммонификацию. Минеральные удобрения способствовали усилению этого процесса. Нитрификация как бы выключалась из процесса естественным путем. Это имеет свою положительную сторону: исключается нежелательная в процессе минерализации потеря азота органического вещества в процессе нитрификации. Аммонийный азот в силу большой поглотительной способности торфа задерживается в залежи, накапливается и является основной формой азотного питания растений.