Содержание к диссертации
Введение
1 Микроэлементное состояние дерново-подзолистых почв 8
1.1 Роль меди, марганца, бора и молибдена в жизни растений и обеспеченность ими дерново-подзолистых почв 9
1.1.1 Физиологическая роль меди и её состояние в дерново-подзолистых почвах 9
1.1.2 Физиологическая роль марганца и его состояние в дерново-подзолистых почвах 13
1.1.3 Физиологическая роль бора и его состояние в дерново-подзолистых почвах 17
1.1.4 Физиологическая роль молибдена и его состояние в дерново-подзолистых почвах 22
1.2 Содержание микроэлементов в дерново-подзолистых почвах Северо-Запада России 26
1.3 Изменение микроэлементного состояния дерново-подзолистых почв при окультуривании 33
1.4 Трансформация микроэлементного состояния пахотных дерново-подзолистых почв в условиях скрытой деградации 41
2. Объекты, условия и методика исследований 44
2.1 Микроэлементное состояние пахотных почв Псковской области 45
2.2 Агрогенетическая и агрохимическая характеристика объектов исследования 47
2.3 Агрохимические свойства удобрений, используемых в опытах 50
2.4 Метеорологические условия в годы проведения исследования 54
2.5 Методика проведения исследований 58
3. Агроэкологическая оценка систем удобрения на хорошо окультуренных почвах 62
3.1 Изменение основных агрохимических свойств хорошо окультуренной дерново-подзолистой почвы под действием различных систем удоб рения 62
3.1.1 Изменение кислотно-основных свойств почвы 63
3.1.2 Динамика гумусного состояния и питательного режима почв опытов 68
3.2 Действие различных систем удобрения на рост и развитие полевых кул ьтур 77
3.3 Влияние различных систем удобрения на продуктивность полевых культур 81
4 Изменение микроэлементного состояния хорошо окультуренной дерново-подзолистой почвы 88
4.1 Хозяйственный баланс бора, марганца, меди и молибдена в системах удобрения полевых опытов 88
4.2 Изменение микроэлементного состояния хорошо окультуренной дерново-подзолистой почвы 98
4.2.1 Динамика соединений меди в почве опытов 99
4.2.2 Динамика соединений марганца в почве опытов 102
4.2.3 Динамика содержания подвижного бора в почве опытов 106
4.2.4 Динамика подвижных соединений молибдена в почве опытов 110
5 Экономическая эффективность различных систем удобрения 114
Выводы 120
Рекомендация производству 123
Список использованной литературы
- Физиологическая роль марганца и его состояние в дерново-подзолистых почвах
- Агрогенетическая и агрохимическая характеристика объектов исследования
- Изменение кислотно-основных свойств почвы
- Изменение микроэлементного состояния хорошо окультуренной дерново-подзолистой почвы
Введение к работе
В структуре почвенного покрова пашни Северо-Западного района и Псковской области 90 % площади приходится на почвы дерново-подзолистого типа. Последние по своему генезису характеризуются низким уровнем естественного плодородия, а также недостаточной обеспеченностью большинством микроэлементов. По данным агрохимслужбы, к началу 90-х годов XX века в Псковской области около трети обследованных почв оказались слабо обеспеченными медью (менее 2 мг/кг), молибденом (менее 0,1 мг/кг) и бором (менее 0,2 мг/кг). И лишь марганца практически все изученные почвы содержали более 60 мг/кг. В силу незначительности обследованной площади эти цифры следует считать весьма приближёнными, а фактическая ситуация может быть даже худшей, о чём можно судить по данным из других регионов России.
В то же время даже в таких условиях усилиями земледельцев около 15 % пахотных почв Северо-Западного района к концу прошлого столетия было доведено до уровня хорошей окультуренности (А.Н. Небольсин и др., 1997). Использование в процессе окультуривания средних и повышенных доз минеральных и органических удобрений позволило не только компенсировать вынос основных элементов питания с урожаем, но и увеличить содержание гумуса до 2,7 - 3 %, азота до 0,15 - 0,2 %, снизить кислотность почвы до рН 6,3 - 6,5, повысить в 2 - 3 раза содержание фосфора и калия (Н.А. Сапожников и др., 1977; А.И. Иванов, 1993).
В прошлом нередко хорошо окультуренные дерново-подзолистые почвы относились к числу нетипичных для почвенного покрова региона, что привело к определённому отставанию в их исследовании. Очевидно, такой подход нельзя признать объективным, учитывая особую роль этих природно-антропогенных образований. В условиях современного кризиса именно на хорошо окультуренных почвах производится значительная часть растениеводческой продукции.
Другое дело, что эксплуатируются такие почвы сегодня «на износ», без учёта необходимости воспроизводства их плодородия. В этой связи важное научное и практическое значение имеет поиск наиболее рациональных путей защиты окультуренных почв от деградационных процессов. Этой проблеме и посвящены многолетние комплексные исследования кафедры агрохимии и почвоведения Великолукской ГСХА. Настоящая диссертационная работа представляет один из разделов этих исследований, посвященный изучению трансформации микроэлементного состояния хорошо окультуренных почв. Высокая продуктивность земледелия на хорошо окультуренных почвах обеспечивается значительным потреблением всех питательных веществ, включая и микроэлементы. Обеспечить такой уровень потребления без внесения макро- и микроудобрений невозможно (Н.Н. Михайлов, 1970; Н.П. Би-тюцкий, 1999; И.А. Иванов, 2000). Конечно, определёнными агротехническими приёмами можно добиться мобилизации почвенных запасов элементов питания, но, как показали предыдущие исследования кафедры, за этим стоит деградация гумусного, кислотно-основного и фосфатно-калийного состояния почв (В.А. Воробьёв, 2001; Н.А. Цыганова, 2002; И.Ю. Сорокина, 2005). Не исключено, что аналогичной может быть и трансформация микроэлементного состояния.
Кроме того, характер хозяйственного использования хорошо окультуренных почв сильно влияет на их физико-химические, окислительно-восстановительные и некоторые другие свойства, контролирующие поведение микроэлементов в системе «почва - растение». Возникающие при этом взаимосвязи относительно данной категории почв изучены недостаточно.
И, наконец, не исключается, что по аналогии с макроэлементами, в хорошо окультуренных почвах может накопиться избыточное количество отдельных микроэлементов, большинство из которых относится к группе далеко не безобидных тяжёлых металлов (Б.А. Ягодин, 1982). И с этих позиций изучение микроэлементного состояния почв в современных условиях актуально.
Научная гипотеза исследования состояла в предположении, что динамика микроэлементного состояния хорошо окультуренных дерново-подзолистых почв будет лишь отчасти соответствовать представлениям, сложившимся относительно почв меньшей окультуренности. Ожидалось, что на все трансформационные процессы, определяющиеся балансом микроэлементов в системах удобрения и изменением агрохимических свойств почвы, будет накладывать отпечаток её повышенная буферная способность.
Целью диссертационной работы было изучение трансформации микроэлементного состояния хорошо окультуренной дерново-подзолистой почвы в процессе её сельскохозяйственного использования при применении минеральной и органической систем удобрения, а также поддерживающего известкования.
Для её достижения решался ряд задач:
установление влияния различных систем удобрения на микроэлементное состояние дерново-подзолистой почвы;
выявление особенностей воздействия различных известковых мелиорантов и, в частности, известковистого сапропеля и ОСВ на микроэлементное состояние почвы;
оценка экономической эффективности использования различных систем удобрения и поддерживающего известкования.
Новизна и научная значимость работы заключается в том, что в ней впервые в условиях Псковской области определены параметры трансформации микроэлементного состояния хорошо окультуренной дерново-подзолистой почвы в процессе её сельскохозяйственного использования на фоне минеральной, органической систем удобрения и поддерживающего известкования; установлена возможность применения известковистого сапропеля и ОСВ для оптимизации микроэлементного состояния почвы.
Практическая значимость работы состоит в разработке рекомендаций по сохранению благоприятного микроэлементного состояния хорошо окуль-
7 туренных дерново-подзолистых почв (в том числе за счёт применения сапропеля и ОСВ) как важной составной части их эффективного плодородия.
Основные положения диссертации доложены на научно-практической конференции молодых учёных «Молодые "учёные в научном обеспечении сельского хозяйства на современном этапе» в Санкт-Петербургском ГАУ в 2003 г. и научных конференциях профессорско-преподавательского состава в Великолукской ГСХА в 2004 - 2005 гг.
По материалам исследования опубликовано 5 печатных работ.
Диссертационная работа выполнена на кафедрах агрохимии и почвоведения и химии Великолукской ГСХА под руководством доктора сельскохозяйственных наук, профессора А.И. Иванова. Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю, а также доктору сельскохозяйственных наук, профессору, заслуженному агроному РСФСР И.А. Иванову, сотрудникам и директору агрохимического центра «Ленинградский» за оказанную помощь в проведении научно-исследовательских работ и сборе научного материала для написания диссертации.
1 МИКРОЭЛЕМЕНТНОЕ СОСТОЯНИЕ
ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИТЫХ ПОЧВ
Обеспечение растущего населения планеты достаточным количеством продуктов питания возможно лишь за счёт интенсификации сельскохозяйственного производства, поскольку практически все земельные ресурсы, пригодные для земледелия, уже использованы. Лишь рациональное использование почвенного покрова позволяет повысить урожайность всех сельскохозяйственных культур (В.Г. Минеев, 1988, 1990; Б.А. Ягодин и др., 1996; Д.С. Орлов и др. 2002).
Почвенный покров Нечернозёмной зоны почти на 80 % представлен генетически малоплодородными почвами дерново-подзолистого и подзолистого типов. Для этих почв характерна высокая кислотность, низкая гумуси-рованность, недостаточная обеспеченность макро- и микроэлементами (В.К. Пестряков, 1977; Э.И. Гагарина и др., 1995; И.А. Иванов и др., 1998). Поэтому в условиях Нечернозёмной зоны удобрения - это и основа урожая, и важнейший регулируемый фактор воспроизводства почвенного плодородия (Н.С. Авдонин, 1969, 1972; Н.А. Сапожников и др., 1977; И.А. Иванов и др., 2002).
Установлено, что уровень воздействия средств химизации на микроэлементное состояние почв определяется содержанием элементов в удобрениях и характером изменения физико-химических свойств почвы, заметно влияющих на растворимость соединений металлов (А. Кабата-Пендиас и др., 1989; В.А. Касатиков, 1990; В.Б. Ильин, 1995; М.М. Овчаренко и др., 1997). Происходящие в процессе окультуривания нейтрализация кислотности, увеличение содержания гумуса, повышение запаса подвижных соединений фосфора, по мнению многих ученых, являются факторами, заметно изменяющими подвижность микроэлементов в почве (Л.Н. Александрова, 1980; В.Г. Минеев, 1990; И.А. Шильников,. 1991; А.И. Обухов и др., 1992; Л.А. Лебедева и др., 1998; А.И. Иванов, 2000; А.Н. Небольсин и др., 2000).
1.1 Роль меди, марганца, бора и молибдена в жизни растений и обеспеченность ими дерново-подзолистых почв
К настоящему времени в составе растительных организмов обнаружено не менее 80 химических элементов, что вполне соответствует закону всеобщего рассеяния В.И. Вернадского. Однако абсолютно доказанной является физиологическая потребность их лишь в 20 химических элементах. Из этого набора почти половина приходится на так называемые микроэлементы, содержание которых не превышает сотых и тысячных долей процента, или нескольких единиц микромоль на 1 г сухой массы. Чаще других в их числе называются марганец, цинк, медь, молибден, бор, никель, кобальт и хлор (П.И. Анспок, 1990; Б.А. Ягодин и др., 2003).
Практически всем этим элементам свойственны каталитические функции, связанные с их участием в составе ферментативных систем. Кроме того, бор и цинк могут выполнять и структурную функцию, а хлор в некоторых случаях является потенциалообразующим элементом (Н.П. Битюцкий, 1999).
Поскольку наше исследование было посвящено изучению трансформации в хорошо окультуренных дерново-подзолистых почвах соединений меди, марганца, бора и молибдена, дальнейшее повествование мы сконцентрируем именно на них.
1.1.1 Физиологическая роль меди и её состояние в дерново-подзолистых почвах
Медь является типичным d-элементом и потому для растений наиболее важно её участие в окислительно-восстановительных реакциях. При этом медь составляет коферментативную часть отдельных ферментов (полифено-локсидазы, аскорбинатоксидазы, лактазы, дегидрогеназы) (П.И. Анспок, 1990; Н.П. Битюцкий, 1999). Ещё в 1938 году Г.В. Заблуда показала, что медь контролирует процессы синтеза и распада хлорофилла и потому напрямую
10 влияет на углеводный и белковый обмены растений. В результате растения, имеющие оптимальную обеспеченность этим элементом, отличаются повышенной морозо- и жароустойчивостью (D.S. Lehman, 1963; J. Turner, 1964), а также - повышенной продуктивностью (Г.Я. Жизневская, 1971; Г.Р. Озолиня и др. 1971; П.И. Анспок, 1990).
Уровень накопления меди в растениях и в отдельных их частях определяется комплексом условий. Важнейшими из них являются почвенные (обеспеченность подвижными соединениями меди и рядом макроэлементов, уровень кислотности и т.д.), биологические особенности культуры, погодные условия и др. (Н.П. Битюцкий, 1999). В среднем её содержание в растениях варьирует от 5 до 50 мг/кг (Е.В. Тонконоженко,1973; П.М. Томпсон и др., 1982). Однако при определённых условиях уровень накопления меди может достигать даже 560 мг/кг (D.S. Lehman, 1963).
В нашей зоне растениями-накопителями меди являются бобовые. Особенно богаты ею зелёная масса кормового люпина и клеверное сено, уровень накопления меди в которых на подзолистых почвах может достигать 21 мг/кг (М.В. Каталымов, 1965). Как правило, повышенным содержанием её отличаются молодые органы растения. Кроме того, она склонна к накоплению в репродуктивных частях (А. Кабата-Пендиас и др. 1989; П.И. Анспок, 1990).
Изучение внутриклеточной локализации меди показало, что около 70 % её запаса концентрируется в хлоропластах и митохондриях (М.Я. Школьник, 1974). При этом почти две трети от поглощаемого количества меди связано с органическими компонентами клетки и находятся в нерастворимом состоянии. Такая особенность в поведении меди продиктована склонностью её к комплексообразованию (Н.П. Битюцкий, 1999).
Растение поглощает медь, как и другие элементы из почвенного раствора в форме двухвалентного иона. Однако концентрация последнего в жидкой фазе дерново-подзолистых почв в подавляющем большинстве случаев низкая или не выше средней. Причины такого положения носят как естественно-генетический, так и антропогенный характер.
Медь относится к числу малораспространённых в земной коре элементов. Её кларк здесь составляет около 0,01%. И это, несмотря на то, что она входит в состав более 200 минералов (А.И. Перельман, 1975). Чаще встречающимися из них являются гидрокуприт, мелаконит и гидротенорит. Особенно богаты этими минералами известковые осадочные породы и, напротив, бедны лёссовидные и органогенные (А.П. Виноградов, 1962).
По данным Е.В. Тонконоженко (1973), валовое содержание меди в поч-вообразующих породах нашей страны составляет от 5 до 95 мг/кг. При этом при продвижении с севера на юг обеспеченность почв этим элементом существенно возрастает. Так, если у почв дерново-подзолистого типа валовое содержание меди составляет от 2,5 до 18,5 мг/кг, то черноземного - от 16 до 30 мг/кг, а каштанового - от 20 до 40 мг/кг (П.А. Власюк, 1956; Я.В. Пейве, 1961). Наиболее же бедными в нашем регионе являются торфяно-болотные почвы, уровень содержания меди в которых не превышает 0,5 - 1 мг/кг (В.Н. Ефимов и др., 1991).
В связи с приуроченностью медьсодержащих минералов к глинистой фракции и карбонатам, наивысшей обеспеченностью медью среди почв нашего региона отличаются тяжелосуглинистые разновидности дерново-подзолистого и дернового типов, наименьшей - песчаные (А. Кабата-Пендиас и др., 1989). По данным Т.Н. Яковлевой (2005), валовое содержание меди в дерново-подзолистых и подзолистых почвах на песчаных отложениях варьирует от 2,4 мг/кг (на бескарбонатных моренных песках) до 6,7 мг/кг (на карбонатных моренных отложениях). Однако валовые запасы меди не могут служить объективной характеристикой обеспеченности растений этим элементом, поскольку последняя больше зависит от степени растворимости её соединений в почвенном растворе.
Лишь мизерная часть этого элемента (до 1 %) находится в почвенном растворе в водорастворимой форме. Несколько больше поглощено её органическими и минеральными коллоидами, то есть находится в обменной и необменной формах. Основная же доля приходится на минеральные компоненты
12 в виде трудно растворимых солей гидратов закисей и окисей меди, а также на металл органические комплексы элемента (Ю.А. Потатуева и др^, 1981; П.И. Анспок, 1990; Н.П. Битюцкий, 1999; И.И. Носовская, 2000).
В составе общих запасов меди на долю подвижных соединений (водорастворимых и обменных) приходится от нескольких процентов у тяжёлых разновидностей дерново-подзолистых почв до 33 % - у лёгких (М.Г. Сенич-кина и др., 1986; А.И.Иванов и др., 2002; 2003). Хотя последние всё равно остаются значительно беднее медью в сравнении с суглинистыми. К примеру, в песчаных почвах Псковской области содержание подвижной меди не превышает 1 мг/кг почвы (Т.И. Яковлева, 2005). В почвенном растворе медь находится в равновесном состоянии, обеспеченном переходом её из обменных и специфично сорбированных твёрдой фазой почвы форм (А.К. Misra и др., 1984). Важнейшими факторами, контролирующими состояние этой термодинамической системы, являются не только концентрация меди в самом почвенном растворе, но и целый ряд важнейших сопутствующих физико-химических и агрохимических свойств (Я.В. Пейве, 1980; Ю.А. Потатуева и др., 1987; ММ. Овчаренко, 1995).
К таковым, в частности, относятся уровень кислотности почвы, её окислительно-восстановительный потенциал, гранулометрический состав, обеспеченность органическим веществом, кальцием, фосфатами и даже алюминием. Так, комплексное исследование Д.Ж. Бериня (1975) показало, что при внесении медных микроудобрений большая часть элемента закреплялась в необменном состоянии. Причём уровень этого процесса резко возрастал с утяжелением гранулометрического состава и ростом содержания органического вещества. П.И. Анспок (1990)считает, что при уменьшении рН на 0,5 ед. содержание подвижной меди возрастает практически во всех типах почв на 0,6 - 0,8 мг/кг. Причём, это связано не только с прямым влиянием подкисления почвы на растворимость соединений меди, но и воздействием этого процесса на состояние органического вещества.
Некоторый рост подвижности меди отмечают даже при усилении процессов аммонификации и нитрификации, то есть при повышении микробиологической активности почвы (А.Х. Шеуджен, 1992).
И.Т. Заке (1964) наблюдал достоверную мобилизацию меди после длительных дождей в летний и осенний периоды, когда почва насыщалась влагой и газообмен с атмосферой ухудшался. Напротив, иссушение почвы и формирование резко окислительной обстановки на фоне пониженных температур существенно сокращало количество меди, выделяемое из почвы 1н раствором НС1 (О.В. Макеев и др., 1963; Д.Ж. Бериня и др., 1965).
Таким образом, даже сравнительно невысокое потребление меди сельскохозяйственными растениями не всегда может обеспечиваться дерново-подзолистыми почвами. Главная причина этого в низком содержании элемента, как в почвообразующих породах, так и в пределах гумусовых горизонтов наших почв. Одновременно с этим действует ещё целый ряд природных факторов, резко ограничивающих растворимость соединений меди. Все эти обстоятельства обязательно должна учитывать агрономическая служба при планировании систем удобрения.
1.1.2 Физиологическая роль марганца и его состояние в дерново-подзолистых почвах
Строение атома марганца очень сходно со строением атома меди. Однако марганец отличается большей реакционной способностью, так как обладает более незавершённым d-подуровнем, чем медь. Если медь - предпоследний d-элемент четвёртого периода, то у марганца до завершения этого подуровня не хватает пяти электронов. В ядре атома марганца на 3 протона меньше, чем у меди, его атом легче.
Марганец активирует многочисленные ферменты, особенно при фос-форилировании. Благодаря способности переносить электроны путём изменения валентности он участвует во многих окислительно-восстановительных реакциях, участвует в образовании комплексных соединений. В световой ре-
14 акции фотосинтеза он участвует в расщеплении молекулы воды. Марганец входит в состав ферментов, стимулирующих образование аскорбиновой кислоты, синтез хлорофилла, активирует ферменты белкового обмена (П.И. Анспок, 1990; Д.С. Орлов, 1992, Н.П. Битюцкий, 1999).
Признаки дефицита марганца у растений чаще всего наблюдаются на карбонатных, сильно известкованных, а также на некоторых торфяных и других почвах при рН выше 6,5. При недостатке марганца понижается синтез органических веществ, уменьшается содержание хлорофилла в растениях, они заболевают хлорозом. Марганцевая недостаточность у растений обостряется при низкой температуре и высокой влажности. Накопление марганца в токсических для растения концентрациях (более 150 мг/кг) наблюдается на кислых дерново-подзолистых почвах. При известковании почв марганец переходит в малодоступные для растений формы (Я.В. Пейве, 1980; П.И. Анспок, 1990).
Содержание марганца в растениях зависит от их биологических особенностей и запасов его доступных форм в почвах (П.И. Анспок, 1990). В различных исследованных культурах он содержался в количестве от 8 до 116 мг на 1 кг сухого вещества. Мало его в зерне кукурузы, проса, гороха. Много марганца накапливают люцерна, клевер, сахарная свекла. Разные органы одного и того же растения накапливают неодинаковое количество марганца. Больше всего его содержится в листьях, меньше в зерне и совсем мало в корнях (Е.В. Тонконоженко, 1973; В.М. Чурбанов, 1976). В листьях верхнего яруса марганца больше, чем в листьях среднего и нижнего ярусов (СИ. Тома, 1973). В зародыше семян его больше, чем в эндосперме и семядолях (Н.Л. Шарова и др., 1976). По данным М.В. Каталымова (1957), количество марганца в растениях колеблется от тысячных до сотых долей процента на 1 кг сухого вещества. Дефицит, оптимум и избыток марганца в растениях составляет соответственно 15 - 25, 20 - 300 и 300 - 500 мг/кг сухого вещества (П.О. Дуглас, 1988).
Кларк марганца в почвах составляет 600 мг/кг (С.А. Барбер, 1988; А. Кабата-Пендиас и др., 1989). В различных почвах бывшего СССР содержание валового марганца колеблется от 100 до 4200 мг/кг (А.П. Виноградов, 1957; А.С. Радов и др., 1978). Наиболее бедны этим элементом подзолистые почвы, в чернозёмах на 1 кг почвы приходится валового марганца 840 мг, а подзолистых - 590 (М.Г. Сеничкина и др., 1986). По стране почвы с низким содержанием марганца составляют 16,4 %, средним - 34,4 % и высоким -49,2 % (А.Н. Аристархов и др., 1981). В настоящее время известно около 150 марганцевых минералов, среди которых наиболее распространены пиролюзит, псиломелан и манганит. Кроме того, марганец в 2-х валентной форме входит в состав сотен других соединений - сульфидов, оксидов, боратов, сульфатов и фосфатов (П.И. Анспок, 1990).
Содержание подвижных форм марганца в почве коррелирует с их валовым содержанием (А.В. Бердникова, 1981). По данным П.И. Анспок (1990), дерново-подзолистые почвы содержат наибольшее количество подвижного марганца 50 - 150 мг/кг почвы. В черноземах оно колеблется от 1 до 75 мг/кг, в сероземах - 1,5 - 125 мг/кг, каштановых и бурых - 1,5 - 75 мг/кг. По данным В.А. Ковды и др. (1959), в почвах в среднем на долю подвижного марганца приходится 40 - 50 % его валового содержания. Количество подвижного марганца изменяется в зависимости от окислительно-восстановительных реакций, происходящих в почве, от её кислотности и щелочности (А.Х.Шеуджен и др., 1996).
А. Кабата-Пендиас и др. (1989) указывают, что марганец может накапливаться в разных почвенных горизонтах, особенно обогащенных оксидами и гидроксидами железа. Обычно этот элемент аккумулируется в верхнем горизонте почв вследствие его фиксации органическим веществом.
В почве марганец находится в составе различных минеральных, орга-но-минеральных и органических соединений в следующих формах: водорастворимой, адсорбированной, трудно растворимых солей - фосфатов, карбо-
натов, окислов и гидроксидов, в составе органического вещества, в структуре кристаллических решёток почвенных минералов (А.Х. Шеуджен, 1989).
По данным М.В. Каталымова (1965), марганец может находиться в почве в виде двух-, трёх- и четырёхвалентных соединений, но преобладающая часть этого элемента присутствует в двух- и четырёхвалентной форме. При усилении восстановительных процессов в почве происходит восстановление трёх- и четырёхвалентного марганца до двухвалентного. При усилении окислительных процессов, содержание подвижных форм его уменьшается в связи с образованием более окисленных труднорастворимых соединений. Подкисление почвы способствует увеличению содержания в ней подвижного марганца, а подщелачивание - стимулирует образование трудноусвояемых растениями форм этого элемента (А.И. Войнар, 1962). Известкование кислых почв уменьшает подвижность марганца в результате снижения кислотности. В анаэробных условиях микроорганизмы способны восстанавливать марганец, используя для своего существования кислород из двуокиси марганца (А.Х. Шеуджен и др., 1996).
И.П. Бабьева и др. (1989), П.И. Анспок (1990) отмечают, что количество обменных, легковосстанавливаемых и водорастворимых форм марганца в почве в течение вегетационного периода неодинаково. При нахождении почвы под водой или при сильном насыщении влагой содержание водорастворимого и обменного марганца увеличивается, так как в почве происходят изменения реакции среды, меняется деятельность микрофлоры, влажность и воздухопроницаемость, снижается значение ОВП.
Таким образом, в отличие от меди, марганцем дерново-подзолистые почвы обеспечены значительно лучше и во многих случаях могут полностью удовлетворить потребность растений в этом элементе. Тем не менее, некоторые приёмы окультуривания дерново-подзолистых почв, в частности известкование, способны значительно снизить подвижность марганца и привести к недостатку его доступных растениям форм в почве.
17 1.1.3 Физиологическая роль бора и его состояние в дерново-подзолистых почвах
Бор - лёгкий элемент, проявляющий, в отличие от меди и марганца, неметаллические свойства. В различных соединениях бор содержится в составе аниона. Для него нехарактерно участие в окислительно-восстановительных реакциях, но он способен к комплексообразованию и многие его соединения хорошо растворимы.
Бор - физиологически активный элемент, оказывает влияние на метаболизм и транспорт углеводов, при недостатке его замедляется отток углеводов от листьев в корни и корнеплоды, снижается количество оплодотворённых цветков, понижается фиксация азота клубеньковыми бактериями (Я.В. Пейве, 1980).
В настоящее время значение бора для растений общепризнано. Он является необходимым для всех высших растений на протяжении всей их жизнедеятельности (М.Я. Школьник, 1939, 1953, 1974; Е.В. Бобко и др., 1963). По мнению Н.П. Битюцкого (1999), бор - важнейший морфогенетический элемент, определяющий развитие специфических форм клеточных стенок высших растений. Кроме того, бор необходим для образования и поддержания мембранного потенциала, косвенное влияние он оказывает на Н+-АТФазу.
Содержание бора в растениях колеблется в широких пределах от 2 до 35 мг/кг сухого вещества (Е.В. Бобко, 1963; М.В. Каталымов, 1965). Неодинаково содержание бора по фазам развития и в разных частях различных растений, выращиваемых в одинаковых условиях (М.В. Каталымов, 1965; Е.В. Тонконоженко, 1969, 1973; О.А. Ивашевская, 1972). Наименьшей потребностью бора отличаются злаки, содержащие меньше 4 - 10 мг бора на 1 кг сухого вещества (М.В. Каталымов, 1957). Среди полевых культур высоким содержанием бора выделяется сахарная свёкла. В её ботве содержится 33,6, а в корнях 14,1 мг/кг бора, что значительно выше, чем в плодах овощных куль-
18 тур - 17,3 - 26,7, клубнях картофеля - 13,7, листьях клевера - 23,3, зерне озимой пшеницы и овса - 6,2 - 8,5 мг/кг сухого вещества. (М.В. Катальшов, 1957). Из данных Е.В. Бобко (1963), М.В. Каталымова (1965), следует, что цветки более богаты бором, чем вегетативные органы. В листьях его больше, чем в стеблях.
Я.В. Пейве (1963) на основании многократных химических анализов содержания бора в растениях вывел следующие средние величины: в зерне и соломе злаков - 1 - 4 мг, в корнях сахарной свёклы - 10 - 20 мг, в семенах подсолнечника - 15 - 20, в стеблях и листьях - 50 - 60 мг на 1 кг сухого вещества.
С урожаем сельскохозяйственных культур выносится из почв до 20 -300 г/га бора (М.В. Катальшов, 1957; В.А. Ковда и др., 1959; Е.В. Тонконоженко, 1973). У злаков вынос значительно ниже (20 - 40 г/га), особенно в сравнении с бобовыми культурами (100 - 600 г/га) (Е.В. Тонконоженко, 1973).
Согласно данным В.И. Ковальского (1982), пороговая концентрация бора, выше которой проявляется отрицательное влияние этого микроэлемента на растительные организмы, составляет 36 мг/кг. С. Fietjen (1976) определяет ПДК бора в растениях равную 100 мг/кг. Такой разброс данных объясняется тем, что разные виды растений по разному реагируют на избыток бора. В.Б. Ильин (1986) отмечает, что содержание 100 мг/кг этого элемента в сухой массе токсично для люцерны, а для кукурузы токсичность проявлялась уже при 35 мг/кг.
Бор относится к числу рассеянных в природе микроэлементов (Л.И. Перельман, 1975). Он встречается в вулканических извержениях, осадочных породах, артезианских и морских водах, почвах и входит в состав растительных и животных организмов. Бор входит в состав многочисленных минералов, например, буры, кернита, гидроборацита, амарита, турмалинов (А.С. Орлов, 1992). Кларк его в земной коре равен 3 10"3, почве и морской воде - 5 10"4, животных - 1 10'15 % (А.П. Виноградов, 1967). По данным
19 А.П. Винофадова и др. (1948), П.А. Власюка (1956), М.В. Каталымова (1957), Я.В. Пейве (1963) и многих других исследователей, почвы резко различаются общим запасом бора. Известны почвы с пониженным, нормальным и повышенным содержанием микроэлемента (А.П. Винофадов, 1967).
По данным С.А. Барбер (1988), содержание бора в земной коре составляет около 50 мг/кг, однако его концентрация зависит от природы пород. Основные породы содержат 1 - 4, кислые 3 - 10, метаморфизированные - 5 -12, а осадочные породы морского происхождения - 500 мг/кг и более. По мнению М.Я. Школьника (1939), сравнительно высоким содержанием бора осадочные породы обязаны воде, которая отличается повышенным содержанием этого элемента. В.А. Ковда (1959) указывает, что по своей геохимической истории бор резко отличается от ряда других микроэлементов.
В рассеянном виде бор широко распространён в твёрдой и жидкой оболочках земли (СМ. Александров и др., 1968). Соединения этого элемента обладают высокой летучестью. На земной поверхности бор мифирует и концентрируется в остаточных рассолах озёр и морей, образуя боратные месторождения. Этот элемент концентрируется в магматичесих расплавах пегматитов, в газовой фазе пневматитов, входит в состав минералов (М.Г. Сенич-кина и др., 1986).
Бор в земной коре и биосфере - трёхвалентный ион - металлоид и склонен к комплексообразованию. Бор является активным водным мифан-том в природных водах. Наибольшая подвижность бора в сильнокислых (рН 1 - 5) и сильнощелочных водах (рН 8 - 11), в которых отсутствуют ионы Са и Mg . Низкая растворимость борных соединений кальция и магния ограничивает миграционную способность бора в условиях земной поверхности (СМ. Александров и др., 1968).
Количество бора в почвах колеблется в широких пределах - от 1 до 200 мг/кг почвы. В дерново-подзолистых его 2-5 мг/кг, серых лесных почвах Украины и Прибалтики - 1,5 - 9 мг/кг (А.П. Виноградов, 1950; В.А. Ковда и
20 др., 1959) а в Западной Сибири - 10-30 мг/кг (В.Б. Ильин, 1995). Максимальное количество бора содержится в засоленных почвах.
Многими авторами установлена прямая зависимость между содержанием бора в материнских породах и почвах (А.П. Виноградов, 1950, 1967; В.А. Ковда и др., 1959; Н.Г. Зырин, 1968). Н.Г. Зырин с соавт. (19781) отмечает, что концентрация бора в породе в одинаковых климатических условиях может определять типовые различия почв. Многими исследованиями установлено, что большая часть бора сосредоточена в глинистой фракции и с утяжелением механического состава содержание бора увеличивается.
По мнению С.А. Барбер (1988), почвенный бор можно подразделить на бор почвенного раствора, адсорбированный почвенно-поглощающим комплексом и бор минералов. Наиболее доступны для растений соединения бора, растворимые в воде и в слабых кислотах. По данным А.П. Виноградова (1967), водорастворимый бор составляет 3 - 10 % общего содержания элемента. С увеличением выщелоченности и оподзоленности почв содержание в них подвижного бора снижается, а с возрастанием сухости климата и засоленности почв и пород - увеличивается (до 40 %) (А.П. Виноградов, 1950; Т.А. Власюк, 1956; Е.В. Тонконоженко, 1964, 1966; М.В. Каталымов, 1965).
На основании обширных исследований Я.В. Пейве (1963, 1980) установлено, что особо бедными бором почвами являются тундровые, практически не содержащие его водорастворимых соединений. Обеднены этим элементом подзолистые и дерново-подзолистые почвы (0,07 - 0,38 мг/кг), особенно лёгкие их разновидности. По мнению А.Я. Альшевского (1991), такое низкое содержание бора связано с формированием почв на флювиогляциаль-ных песках и супесях, а также моренных отложениях с низким содержанием валовых форм бора. Далее, по мере продвижения к югу, содержание подвижного бора в почвах увеличивается. В частности, серые лесные почвы содержат уже до 1,35 мг водорастворимого бора в 1 кг (М.В. Каталымов, 1965).
В России площади почв с низким и средним содержанием бора составляют 46 и 50 % соответственно. Сельскохозяйственные культуры на этих полях нуждаются в борных удобрениях (И.Н. Чумаченко, 1989).
Содержание бора в почвах зависит также от деятельности человека, а конкретно - от направленности окультуривающих мероприятий. В целом окультуренные почвы богаче бором по сравнению с менее окультуренными (М.В. Каталымов, 1965).
Поскольку бор прочно удерживается органическим веществом, существует высокая положительная корреляция между содержанием гумуса и водорастворимого бора (П.А. Власюк, 1956; О.А. Ивашевская, 1972). Более сложная взаимосвязь состояния бора с кислотно-основными свойствами почвы. Повышение рН способствует фиксации бора, что предотвращает его вымывание. Поэтому в нейтральных и щелочных почвах валовое содержание бора больше, чем в кислых. Но при известковании почв органические и минеральные соединения бора становятся более стойкими и менее доступными для растений, что является основной причиной повышенной потребности растений в борных удобрениях.
Я.В. Пейве (1963) отмечает, что растениям в почве доступен водорастворимый бор и его кислоторастворимые формы. А факторами, увеличивающими подвижность и доступность для растений, являются следующие: внесение органических и физиологически кислых минеральных удобрений, минерализация органических веществ, содержащих в своём составе бор, снижение повышенных концентраций кальция, увеличение интенсивности образования кислых корневых выделений. Факторы, уменьшающие подвижность бора в почве - известкование почв повышенными дозами извести, приводящее к образованию недоступных для растений комплексных соединений бора с полуторными окислами, закрепление бора в телах почвенных микро- и макроорганизмов, высокая концентрация ионов кальция в почвенном растворе, приводящая к неблагоприятному соотношению кальция и бора в питательной среде.
22 Таким образом, вследствие бедности большинства почвообразующих пород бором дерново-подзолистые почвы, как правило, плохо обеспечены этим жизненно важным для растений микроэлементом. А значительный вынос его растениями ещё больше усугубляет эту проблему. В этой связи изучение состояния бора в почвах и его роли в питании растений имеет в нашей зоне важное научное и практическое значение.
1.1.4 Физиологическая роль молибдена и его состояние в дерново-подзолистых почвах
Из рассматриваемых микроэлементов молибден наиболее тяжёлый. Как и медь, молибден на внешнем энергетическом уровне содержит ОДИН S-электрон, что обусловливает проявление этим элементом ТИПИЧНЫХ свойств металла. Однако в образовании связей могут участвовать и электроны предыдущего недостроенного d-слоя, поэтому молибден - металл с переменной валентностью, он также легко образует комплексные соединения (Н.П. Би-тюцкий, 1999).
Молибден играет важную роль в жизни микроорганизмов и высших растений. Он входит в состав ряда ферментов, связанных с азотным обменом высших растений и микроорганизмов - ксантиноксидазы, альдегидоксидазы, редуктазы нитрата, дегидрогеназы. Молибден необходим для биохимических процессов, связанных с фиксацией газообразного азота азотобактером, а также клубеньковыми бактериями бобовых культур. Для грибов и высших растений молибден нужен также для процессов восстановления нитратного азота и, следовательно, синтеза белков. (Н.М. Городний, 1974; Я.В. Пейве, 1980; П.И. Анспок, 1990). Недостаток этого элемента может вызывать у растений азотное голодание (А.А. Собачкин, 1958; G.N. Hagstron, 1968).
Впервые молибден в растениях обнаружил в 1900 г. М.Е. Демерсей. Количество его в растениях колеблется от 0,2 до 8,0 мг/кг сухого вещества (Р.К. Даутов и др., 1979). Содержание молибдена в растениях зависит от многих условий, таких как тип и механический состав почвы, содержание эле-
23 мента в последней, видовой состав растений, метеорологические условия, удобрение и др. С ростом растений относительное содержание молибдена в листьях постепенно уменьшается (И.А. Буркин, 1968; П.А. Власюк и др., 1983). К.К. Бамберг (1956) полагал, что в годы с обильным выпадением осадков в семенах различных культур молибдена содержится больше, чем в засушливые. На неодинаковое содержание молибдена в разных частях растений указывают также L. Bertrand (1940), H.L. Jensen et. al. (1943), Y. J. Evans et. al. (1950), E.B. Тонконоженко (1973).
Наибольшее содержание молибдена характерно для бобовых (0,5 -20 мг/кг), злаки содержат от 0,2 до 2,0 мг молибдена на 1 кг сухой массы. Повышенная потребность бобовых культур в молибдене объясняется участием этого элемента в биохимических процессах, связанных с фиксацией молекулярного азота клубеньковыми бактериями в симбиозе с бобовыми растения-ми (В.Я. Журовская, 1979). Он поступает в растения в форме аниона Мо04 " и концентрируется в молодых растущих органах. Его больше в листьях, чем в корнях и стеблях, а в листе он сосредоточен в основном в хлоропластах (И.А. Буркин, 1968).
Недостаток и избыток молибдена в растении могут наблюдаться при концентрациях его соответственно от 0,1 до 10 мг/кг. Молибдена для растений требуются меньше, чем других микроэлементов. Нижним пределом содержания молибдена в растениях считается 0,1, а для бобовых - 0,4 мг на 1 кг сухой массы (J. Stewart et. al., 1953). По мнению П.И. Анспок (1990), высокие концентрации молибдена весьма токсичны для растений. Так, содержание молибдена 1 мг/кг в сельскохозяйственной продукции вредно для здоровья животных и человека. В случаях же, когда растения накапливают 20 мг/кг молибдена и более (на высокообеспеченных элементом чернозёмах с нейтральной или слабощелочной реакцией почвенного раствора) у животных при употреблении свежих растений наблюдается молибденовые токсикозы, а у человека - эндемическая подагра.
Молибден мало распространён в природе, среднее его содержание в литосфере - 3-Ю"4 %. Благодаря переменной валентности он легко образует комплексные соединения и входит в состав многих минералов, например, молибденита, вульфенита и молибдита (А.П. Виноградов, 1967). Кларк молибдена в почвах составляет 2,6 мг/кг, что очень близко к его концентрации в почвообразующих породах. В почве молибден находится в кристаллических решётках первичных и вторичных минералов, поглощённый глинистыми минералами и коллоидными окислами алюминия и железа, в составе органических веществ почв, соединениях с карбонатами и в водорастворимой форме (А.П. Виноградов и др., 1948).
Особенности распространения молибдена в земной коре свидетельствуют о том, что он связан с гранитными и другими кислыми магматическими породами. В целом, его содержание в них колеблется в пределах 1 - 2 мг/кг, а в богатых органическим веществом глинистых отложениях - более 2 мг/кг (H.J. Evans, 1951; W. Robinson, 1951; А.П. Виноградов, 1967; А. Кабата-Пендиас и др., 1989).
Концентрация молибдена в почве ниже концентрации какого-либо другого необходимого микроэлемента. В среднем почва содержит в пахотном слое около 4 кг/га молибдена. Молибден может накапливаться в гумусовом горизонте. Его содержание здесь возрастает по мере увеличения процента органического вещества. Большая часть молибдена включена в органические и минеральные структуры или адсорбирована на положительно заряженных участках поглощающего комплекса, так что его количество, доступное для растений в любой данный момент, не превышает нескольких сотен граммов на 1 га (Л.М. Томпсон и др., 1982).
Часть молибдена в почвах находится в виде водорастворимых и условно-обменных соединений. Водорастворимые формы молибдена хорошо доступны растениям. В целом же его подвижность зависит от степени разрушения первичных и вторичных минералов. Часть молибдена, в виде двухвалентного иона, удерживается почвенными коллоидами. Такой молибден мо-
25 жет обмениваться на другие ионы и поэтому называется обменным. Некоторое количество молибдена закреплено в органических соединениях, минерализация которых способствует переходу из неподвижной формы в подвижную (П.И. Анспок, 1990).
Содержание подвижного молибдена находится в тесной корреляции с валовыми его запасами (Я.В. Пейве, 1963). В оксалатную вытяжку переходит примерно 5 - 10 % молибдена от его общих запасов в почве. Подвижность молибдена возрастает при внесении извести и фосфорных удобрений. Кроме того, этому способствует минерализация органического вещества. На подвижность молибдена существенное влияние оказывают и окислительно-восстановительные процессы. Высокая степень увлажнения вызывает развитие восстановительных процессов и уменьшает содержание в ней подвижного молибдена (Е.К. Круглова и др., 1980).
Валентность молибдена не постоянна, но основной доступной для растений формой является ион молибдата двухвалентного. Растворимость мо-либдатов возрастает по мере повышения рН (Л.М. Томпсон и др., 1982). Уменьшают подвижность молибдена в почве и доступность его растениям повышенная концентрация ионов водорода, обогащение почв алюминием, железом, марганцем, наличие обменного аммония, внесение кислых форм минеральных удобрений.
Важным фактором, влияющим на обеспечение растений молибденом, является рН почвы. Для кислых почв типичен недостаток молибдена, в то время как на щелочных он может быть даже в избытке. По данным Т. Walsh (1945), в почвах, где наблюдался недостаток молибдена, его содержание колебалось в пределах от 0,04 до 0,12 мг/кг. Реакция этих почв была в пределах рН 5,0 - 5,5. Тогда как почвы с избытком молибдена (0,4 - 3,5 мг/кг) имели рН7-8.
На способность растений поглощать молибден сильно влияет содержание в почве фосфатов и в меньшей степени - сульфатов, причём это влияние может быть столь значительным, что ценность определения содержания
26 подвижного молибдена в почве может быть поставлена под сомнение (А. Андерсон, 1958; Я.В. Пейве, 1963; П.И. Анспок, 1990).
По М.В. Каталымову (1965) наименьшее количество молибдена (0,043 - 0,045 мг/кг) наблюдается в аллювиальных, дерново-карбонатных, а также дерново-глеевых и глееватых почвах. Это объясняется тем, что растворимость или подвижность почвенного молибдена зависит от степени насыщенности минеральных коллоидов и гумусовых кислот кальцием. Чем выше содержание обменного кальция и гуматов кальция в почве, тем большей подвижностью обладает почвенный молибден. Я.В. Пейве (1991) отмечал, что дерново-подзолистые почвы различных районов содержат подвижного молибдена от 0,04 до 0,97 мг/кг.
Медь и марганец в почвах являются антагонистами молибдена. Если они содержатся в избытке, то могут вызвать недостаточность молибденового питания для растений. Магний, напротив, способствует поглощению молибдена растениями (L. Samuel, 1975).
На поступление молибдена в растения оказывает влияние и формы азотных удобрений. Нитратные формы азота тормозят поступление молибдена в растения, а аммиачные - ускоряют его поглощение (L. Samuel, 1975).
Таким образом, среди изучаемых микроэлементов молибден отличается наименьшим содержанием как в растениях, так и в почвах. Но его роль в жизни растений весьма велика и с учётом бедности зональных почв Нечерноземья этим элементом изучение состояния молибдена в них видится достаточно актуально.
1.2 Содержание микроэлементов в дерново-подзолистых почвах
Северо-Запада России
Современный почвенный покров Северо-Западного района РФ начал формироваться около 8-14 тыс. лет назад. Сегодня он представлен многими типами почв, доминирующими среди которых являются дерново-подзолистые почвы нормального и временного избыточного увлажнения
27 (Н.Л. Благовидов, 1968; В.Д. Панников и др., 1976; В.К. Пестряков, 1977; Э.И. Гагарина и др., 1995; И.А. Иванов и др., 1998). Они же являются и наиболее представленными на пахотных угодьях.
Формирование большинства пахотных почв происходило под действием нескольких почвообразовательных процессов (подзолообразовательного, дернового, глеевого) (А.А. Коротков, 1972; Ф.Р. Зайдельман, 1975). Процессы накопления питательных веществ и гумуса за счёт деятельности растений и микроорганизмов отражает дерновый процесс. Как правило, именно он ведёт к биологическому накоплению микроэлементов, рассеянных в почвооб-разующей породе (И.С. Кауричев, 1982; Т.Н. Яковлева, 2004). Подзолообра-зовательный процесс, напротив, обусловливает выщелачивание оснований и легкоподвижных органических веществ. В их составе вниз по профилю почвы способны мигрировать и некоторые микроэлементы (особенно склонные к комилексообразованию с органическим веществом).
По убеждению профессора Ф.Р. Зайдельмана (1975), подзолообразова-тельный процесс в принципе невозможен без стадии глееобразования, то есть без процессов трансформации минеральной и органической частей почвы в условиях восстановительной среды. Окислительно-восстановительный же режим почвы напрямую определяет растворимость соединений микроэлементов, относящихся к d-металлам, а опосредованно и ряда других элементов (И.С. Кауричев и др, 1982; Д.С. Орлов и др., 2000).
Таким образом, все почвообразовательные процессы, определяющие формирование почв подзолистого и дерново-подзолистого типов напрямую влияют на микроэлементное состояние почвы. А когда эти почвы осваиваются под пахотные угодья, то важным фактором трансформации микроэлементного состояния становится культурный почвообразовательный процесс (В.К. Пестряков, 1977; Б.А. Никитин, 1986). Сложнейшее сочетание конкретной почвенной разности, условий и факторов, предопределяющих поведение микроэлементов, создаёт ту особую пестроту состояния, свойственную почвам дерново-подзолистого типа.
Важнейшими из этих факторов выступают минералогический и химический состав почвообразующих пород, гранулометрический состав почвы и её водный режим, определяющий окислительно-восстановительную обстановку, реакция почвенного раствора, насыщенность почвенно-поглощающего комплекса основаниями, ряд агрохимических свойств и другое (Н.С. Авдонин 1969, 1972; П.И. Анспок, 1990).
По мнению А.П. Виноградова (1950), А.И. Перельмана (1975), В.А. Алексеенко (2000), основным источником поступления микроэлементов в почву являются материнские почвообразующие породы. Хотя в процессе длительного почвообразования наступает известное перераспределение химических элементов исходной горной породы, однако, специфические свойства и химические особенности микроэлементов горных пород крайне долго (практически навсегда) сохраняются в почвах (А.И. Иванов, 2000). Чем больше микроэлементов в материнской породе, тем, как правило, больше их в почве (Н.П. Битюцкий, 1999).
Преобладающая часть территории Северо-Западного района покрыта ледниковыми отложениями Валдайского горизонта, служащими материнскими породами для всех дерново-подзолистых почв. Это различные по гранулометрическому и химическому составу моренные, озёрно-ледниковые и флювиогляциальные отложения, в преобладающей части сильно выщелоченные. Лишь отдельными пятнами в местах высокого залегания коренных известняков и доломитов встречаются закарбоначенные разновидности этих осадочных пород (Э.И. Гагарина и др., 1995). Именно эти отложения в пределах нашего региона оказываются наиболее обогащенными микроэлементами.
Исключительная пестрота почвообразующих пород предопределила таковую и в микроэлементном состоянии почвенного покрова (табл. 1). В силу приуроченности микроэлементов к минералам так называемой тяжёлой фракции практически всегда почвы лёгкого гранулометрического состава оказываются беднее микроэлементами, чем тяжёлые (Я.В. Пейве, 1980;
29 Таблица 1 - Запасы микроэлементов в пахотном слое различных почв (по В.А. Ковда, 1981)
И.С. Кауричев и др., 1982; А. Кабата-Пендиас и др., 1989). В результате почвы, сформированные на тяжелосуглинистой морене, озёрно-ледниковых глинах и суглинках только в пределах пахотного слоя содержат 130 - 150 кг/га меди, 5 - 7 тыс. кг/га марганца, 90 - 200 кг/га бора и 9,5 - 9,6 кг/га молибдена. Фактические их запасы в лёгких почвах в среднем в 3,3 - 3,7, 2,0 - 2,5, 1,2-3,1 и 1,8-2,0 раза меньше соответственно (В.А. Ковда и др., 1981).
Весьма значительно влияние механического состава почв и на подвижность отдельных микроэлементов. У лёгких почв она обычно существенно выше, чем у тяжёлых. Так, если у тяжелосуглинистых и глинистых разновидностей доля подвижных соединений от валового содержания составляет
0,9 % по меди, 4,3 % по марганцу, 0,7 % по бору и 4,8 % по молибдену, то у песчаных почв- 3,4, 4,6 , 1,1 и 4,3 % соответственно (В.А. Ковда и др., 1981). Но в целом дерново-подзолистые почвы многократно беднее подвижными соединениями микроэлементов в сравнении с большинством других почв. Подвижность микроэлементов находится в сильной зависимости от физико-химических свойств почвы. Однако, несмотря на неоспоримость этого мнения, абсолютного единства в позициях агрохимиков на этот счёт не существует. К примеру, широко распространено представление о повышенной растворимости соединений марганца, меди и бора в кислой среде и, напротив, молибдена - в нейтральной. Однако когда речь идёт о конкретных параметрах рН, соответствующих наивысшей растворимости отдельных микроэлементов, точки зрения учёных могут диаметрально отличаться. Так, СМ. Александров с соавт. (1968) отмечал наибольшую подвижность бора в сильнокислых (рН 1 - 5) и сильнощелочных (рН 8-11) растворах, в которых практически отсутствовали ионы кальция и магния. П.И. Анспок (1990), напротив, обнаруживал максимальное содержание подвижного бора при рН 6,1 - 6,5 ед. Противоречивые мнения существуют и относительно соединений меди и марганца.
Восстановительные условия среды, возникающие чаще всего при переувлажнении почв, богатых легко разлагаемым органическим веществом, способствует относительно быстрому росту растворимости соединений меди и марганца. Так, при снижении окислительно-восстановительного потенциала до 300 мВ в нейтральных средах происходит восстановление марганца до двухвалентного состояния, в кислых средах этот ион устойчив при любых значениях ОВП (И.С. Кауричев и др., 1982). Поэтому в условиях длительного переувлажнения уровень содержания подвижного марганца может увеличиться до критического значения фитотоксичности (А.Н. Небольсин и др., 2005).
В числе важнейших факторов, определяющих состояние микроэлементов в дерново-подзолистых почвах, является их гумусированность и качест-
31 венный состав гумуса (Я.В. Пейве, 1963; М.В. Каталымов, 1965). Поскольку гумусонакопление является проявлением дернового процесса почвообразования, практически во всех случаях, когда он доминирует над подзолообразованием, уровень содержания микроэлементов в верхней гумусированной части оказывается гораздо большим, чем в почвообразующей породе. Наиболее тесная зависимость между гумусным и микроэлементным состоянием почвы существует в отношении элементов, склонных к комплексообразова-нию (меди, бора и молибдена) (П.И. Анспок, 1990; Б.А. Ягодин и др., 2003). По твёрдому убеждению П.И. Анспока (1990), главнейшей причиной низкой обеспеченности дерново-подзолистых почв растворимыми формами бора и молибдена является их низкая гумусированность.
В отношении же меди существует скорее обратная зависимость. Её
>
комплексы с органическим веществом чаще нерастворимы, а поэтому увеличение содержания гумуса, как правило, снижает подвижность её соединений. В нейтральной среде этот процесс ускоряется. По данным Д.Ж Бериня (1965), при повышении рН с 4 до 6 устойчивость комплексов меди с гумино-выми кислотами возрастает примерно в 100 раз.
Из комплекса агрохимических свойств наибольшее значение в формировании микроэлементного состояния почв имеет их фосфатный режим. В большинстве случаев прослеживается геохимическая закономерность прямолинейной зависимости между ростом обеспеченности почв фосфором и микроэлементами (В.А. Ковда и др., 1959; Я.В. Пейве, 1961; А.И. Перельман, 1975; В.А. Ковда, 1985). Однако корреляция между содержанием подвижных соединений и обогащённостыо почв фосфором оказывается уже обратной. В силу химического связывания соединений марганца, меди в нерастворимые фосфаты, уровень содержания подвижных соединений этих микроэлементов, как правило, оказывается существенно ниже, чем у аналогичных почв с низкой обеспеченностью фосфором (А.И. Иванов, 2000).
Выполненный анализ литературных данных позволяет сделать заключение о том, что природные условия Северо-Западного района будут способ-
32 ствовать формированию благоприятного состояния марганца, чего нельзя сказать о других микроэлементах. Это в определённой степени подтверждается результатами агрохимического обследования пахотных почв региона (табл. 2).
Таблица 2 - Распределение почв Северо-Западного района России по степени обеспеченности микроэлементами (по А.И. Иванову, 2000)
К концу 90-х годов прошлого века 85 % обследованных почв пашни отличались высоким содержанием марганца. Обеспеченность почв бором и медью может оцениваться как удовлетворительная. А вот молибденом наши почвы крайне бедны - 83 % их площади относилось к слабообеспеченной этим элементом.
С другой стороны, приведённые данные показывают, что к усиленно рекомендуемому применению микроудобрений нужны творческие подходы. Как видно, и бедные дерново-подзолистые почвы нередко обогащены микроэлементами, а в этом случае дополнительное внесение микроудобрений может иметь и негативные последствия. Очевидна также и недостаточность исследований по микроэлементному состоянию почв (обследована пока лищь незначительная часть сельхозугодий).
33 1.3 Изменение микроэлементного состояния дерново-подзолистых почв при
окультуривании
Академик Д.Н. Прянишников (1962) в своих трудах по плодородию почв отмечал, что дерново-подзолистые почвы настолько бесплодны от природы, что крестьянин фактически вынужден воссоздавать их плодородие заново. В земледельческой науке этот процесс был назван окультуриванием. Под ним понимается трансформация всего комплекса агрофизических, агрохимических и агробиологических свойств почвы, направленная на оптимизацию условий жизни культурных растений (Н.С. Авдонин, 1969; Б.А. Никитин, 1986).
Культурный почвообразовательный процесс в дерново-подзолистых почвах, инициируемый интенсивным применением органических, минеральных и известковых удобрений, обработкой почвы и посевом ценных полевых культур, по оценкам многих учёных, способен сформировать почвы в высоким уровнем эффективного плодородия (В.К. Пестряков, 1977; Н.А. Сапожников и др., 1977; Л.И. Ильина, 1992; А.И. Пупонин и др., 1992; И.Д. Примак и др., 1992; А.Д. Хлыстовский, 1992).
По некоторым оценкам, вследствие известкования и применения высоких доз органических удобрений удаётся практически полностью затормозить подзолообразовательный процесс - главнейший фактор выщелачивания оснований и микроэлементов из почвы (А.С. Коновалова, 1967; Ф.И. Левин, 1972; В.К. Пестряков, 1977; Б.А. Никитин, 1986). Однако А.А. Короткое (1970), А.И. Иванов (2000) полагают, что подзолистый процесс даже в условиях интенсивных систем удобрения остановить невозможно, поскольку промывной водный режим почвы (главная причина оподзоливания) продолжает действовать. В результате у хорошо окультуренных дерново-подзолистых почв отмечается опускание нижней границы подзолистого горизонта. Это указывает на возможность существования вполне заметных ин-фильтрационных потерь ряда микроэлементов. Однако по оценкам А.И. Ива-
34 нова (2000), аккумулятивная составляющая культурного процесса у дерново-подзолистых почв на фоне интенсивных систем удобрения проявляется всё же много ярче. Вероятно, это может служить предпосылкой оптимизации не только макроэлементного, но и микроэлементного состояния почвы.
Но накопленный за прошедшие десятилетия научный потенциал по этой проблематике показывает, что трансформация микроэлементного состояния в процессе окультуривания далеко не всегда носит положительный характер. Практически все исследователи единодушны лишь во мнении, что окультуривание ведёт к увеличению общих запасов микроэлементов в пределах аккумулятивно-эллювиальной толщи пахотной почвы (В.Ф. Ушакова, 1964; Л.В. Карелина, 1975; Н.А. Сапожников и др., 1977; А.В. Постников и др., 1984; В.Д. Панников и др., 1987; А.И. Иванов, 2000). Разумеется, решающую роль при этом играет хозяйственный баланс отдельных элементов в системах удобрения. Что же касается динамики подвижных соединений, то здесь имеет значение изменение окислительно-восстановительного режима и кислотно-основных свойств, трансформация гумусного и фосфатного состояния почвы (М.В. Каталымов, 1965; Я.В. Пейве, 1980; М.М. Овчаренко, 1997).
Баланс микроэлементов в интенсивных органических и органо-минеральных системах удобрения практически всегда положительный, чего нельзя сказать о минеральных системах удобрения (Б.А. Никитин, 1986; А.Д. Хлыстовский, 1992; Т.П. Ковалева, 1999). Пока что главным источником микроэлементов являются органические удобрения и, в частности, навоз. По усреднённым оценкам, в нём содержится в 1,5-5 раз больше бора, в 17 -68 раз больше марганца, в 1,4-31 раз больше меди, чем в минеральных удобрениях (В.А. Панников и др., 1987) (табл. 3). Если же учесть, что дозы минеральных удобрений многократно уступают органическим, то становятся вполне объяснимыми расчёты Т.Н. Яковлевой (2005), указывающей, что при длительном применении органо-минеральных систем удобрения главнейшим источником микроэлементов является навоз, обеспечивающий по отдельным
Таблица 3 - Содержание микроэлементов в минеральных удобрениях и навозе, мг/кг сухого вещества (по В.А. Панникову и др., 1987)
элементам от 65 до 95 % их поступления с удобрениями. Ранее подобные данные приводились В.Д. Панниковым и В.Г Минеевым (1987), согласно которым, с навозом в почву поступает меди в 25 - 280, марганца в 305 - 1680, молибдена в 14 - 550 раз больше, чем с минеральными удобрениями.
Конечно, на фоне удобрений возрастают урожаи, а значит, увеличиваются и продуктивные потери микроэлементов. Поэтому при внесении невысоких доз удобрений баланс микроэлементов может складываться и отрицательно (Е.В. Каплунова и др., 1985; Б.А. Ягодин, 1989; А.И. Иванов, 2000). Тем более это касается минеральных систем удобрения с остродефицитным по микроэлементам балансом (А.И. Иванов, 2000).
По данным Н.Н. Михайлова (1970) на средне - и хорошо окультуренных почвах уровень потребления микроэлементов урожаем культур столь значителен, что обойтись без применения микроудобрений практически невозможно. Например, с Ют капусты белокочанной, свёклы столовой, моркови, брюквы столовой выносится соответственно 30, 330, 99 и 84 г марганца, 10,29, 15 и 13 г меди, 32, 75, 59 и 48 г цинка, 21, 24, 25 и 27 г бора, 1,5, 0,8,
36 0,8 и 2,5 г молибдена. (П.И. Анспок, 1990). Вносимые для компенсации такого потребления в составе основного удобрения специальные микроудобрения являются наиболее радикальным средством оптимизации условий питания этими элементами культур. К сожалению, их использование даже в годы благополучной экономической ситуации не приобрело широких масштабов. В результате абсолютное большинство современных окультуренных почв сформировалось под действием органо-минеральных систем удобрения, в которых микроэлементы являлись лишь примесными к основным питательным веществам (Н.П. Битюцкий, 1999).
Детальное исследование на примере 'земледельческой отрасли целой области выполнено профессором В.И. Панасиным (1986).Согласно ему, в среднем по Калининградской области к середине 80-х годов, когда удобрения применялись наиболее интенсивно, дефицитным был баланс молибдена, кобальта и цинка и бездефицитным - бора, меди и марганца (табл. 4). При этом
Таблица 4 - Баланс микроэлементов в земледелии, г/га
(по В.И. Панасину, 1977)
автор признаёт, что если пренебречь применением микроудобрений, то баланс всех микроэлементов мог быть отрицательным.
Использование интенсивных систем удобрения в процессе окультуривания дерново-подзолистых почв ведёт к изменению не только агрохимических, но и большинства других их свойств, косвенно влияющих на микроэлементное состояние. По данным Н.А. Сапожникова и М.Ф. Корнилова (1977), в частности, на фоне органической и органо-минеральной систем удобрения плотность почвы снижалась на 3 - 9 %, её порозность возрастала на 3 - 18 %, водопроницаемость - в 1,8-3,6 раза. Указанные изменения физических и водно-физических свойств способствуют усилению окислительных процессов вследствие лучшей аэрации почвы и большей промачиваемо-сти профиля, а соответственно, и росту инфильтрационных потерь элементов питания (В.А. Макаров, 1969; СВ. Степанов и др., 1984).
Ещё более значимое влияние на состояние микроэлементов оказывает трансформация кислотно-основных свойств дерново-подзолистой почвы, являющаяся следствием интенсивного известкования в процессе их окультуривания. По данным А.И. Иванова (2000), исследовавшего хорошо окультуренные почвы Псковской области, средневзвешенный показатель их рНС0Л. - 6,4, а степень насыщенности основаниями около 80 %. А нейтрализация почвенной кислотности способствует снижению растворимости соединений марганца, меди и бора и, напротив, росту - молибдена. Так, при известковании почвы в дозе 1 Нг содержание водорастворимого бора в почве снижалось на 12 %, а количество оксалатно-растворимого молибдена увеличивалось на 9 % (П.И. Анспок, 1990). При уменьшении значения рН почвы на 0,5 ед. содержание подвижной меди повышалось на 0,6 - 0,8 мг/кг (П.И. Анспок и др., 1988).
Правда, П.И. Анспок (1990) отмечает, что в некоторых случаях высокое содержание бора (более 1 мг/кг) характерно для почв с практически нейтральной реакцией среды.
Воздействие окультуривающих мероприятий на микроэлементное состояние почв проявляется и через изменение их гумусного состояния. А в этом направлении трансформационные процессы весьма существенны. В
38 сравнении со слабоокультуренными аналогами, содержание гумуса в пахотном слое хорошо окультуренных почв увеличивается от 1,5 до 3,7 раза и достигает 2,2 - 4 % (Н.А. Цыганова, 2002; И.А. Иванов и др., 2004). При этом улучшается и качественный состав гумуса, так как резко усиливается образование гуминовых кислот. Гумус приобретает вместо природного фульватного характера фульватно-гуматный или гуматный (В.К. Пестряков, 1977; Н.А. Цыганова, 2002). Гуматы же, особенно в нейтральной среде, являются очень сильными комплексонами, участвующими в реакциях комплексообра-зования с рядом микроэлементов-металлов. Особенно склонна к этому медь (Л.Н. Александрова, 1980). В результате большинство авторов гумусонакоп-ление называют в числе факторов, снижающих растворимость соединений меди у окультуренных почв (М.И. Кудашкин, 1999; И.И. Носовская и др., 2000; А.Н. Парасюта и др., 2000; Л.С. Малюкова и др., 2001).
В числе факторов, ограничивающих растворимость микроэлементов-металлов, также чаще других называется оптимизация фосфатного режима дерново-подзолистых почв. По оценкам А.И. Иванова (2000), в среднем хорошо окультуренные почвы Псковской области содержали около 380 мг/кг подвижного фосфора, тогда как их природные аналоги - не более 100 мг/кг. Характер поведения свежевнесённых хорошо растворимых в воде фосфатов удобрений в почве таков, что он направлен на химическое связывание с её металлами с образованием нерастворимых соединений. По оценкам Н.А. Са-пожникова и М.Ф. Корнилова (1977), уже на 3-й день после внесения суперфосфата до 80 % его действующего вещества оказывается химически связанным с почвой. Активное участие в этом принимают и металлы-микроэлементы. В результате резко снижается доступность для растений таких микроэлементов как цинк и марганец. Лишь медь, связываемая органическим веществом, в этих процессах участвует менее активно (А.Н. Парасю-та и др., 2000; Ю.А. Потатуева и др., 2001).
Таким образом, комплексный процесс трансформации и роста плодородия дерново-подзолистой почвы, называемый окультуриванием, оказывает
39 весьма разнородное влияние на её микроэлементное состояние. Фактически же параметры этих изменений зависят от всего комплекса почвенно-агрохимических условий, равно как и от уровня воздействия агротехнических мероприятий.
Так, Т.И. Яковлева (2005), исследуя лёгкие дерново-подзолистые почвы Псковской области, пришла к заключению, что в процессе окультуривания трансформация их микроэлементного состояния направлена на рост валового содержания микроэлементов в пахотном и подпахотном слоях почвы. В частности, содержание валовой меди увеличивалось на 49 - 77, цинка - на 44 -60, марганца - на 37 - 43 %. Однако при этом сохраняется и общая исходно-генетическая черта песчаных почв, то есть, несмотря на окультуривание, они остаются весьма бедными этими микроэлементами.
Что касается подвижных соединений указанных микроэлементов, то у цинка и марганца содержание их тоже возросло, а вот у меди - снизилось на 50 %. Последнее, вероятно, можно объяснить склонностью меди к комплек-сообразованию с гумусовыми веществами. Хотя такие закономерности нельзя признать универсальными. Например, в исследованных А.И. Ивановым (2000) остаточно карбонатных почвах хорошей окультуренности содержание подвижного марганца было низким, около 10 мг/кг.
Результаты длительных исследований, проведённых на Соликамской опытной станции (26 лет) и в Тимирязевской сельскохозяйственной академии (47 лет), показали, что на фоне органических систем удобрения с ежегодным применением 7-16 т/га навоза обеспечивается существенная оптимизация питания растений бором и молибденом. При этом уровень содержания их подвижных соединений увеличивается на 0,06 - 0,14 мг/кг (Н.П. Карпинский, 1970).
Особое значение в оптимизации микроэлементного состояния дерново-подзолистых почв имеют осадки городских сточных вод, используемые в ряде мест в качестве органических удобрений. Обогащённость их отдельными микроэлементами иногда столь высока, что заставляет ограничивать дозы
40 применения этого весьма ценного удобрения (В.А. Касатиков, 1990; Э. Отта-бонг и др., 2001; Д.Л. Лебедев, 2003). При этом, как показывают результаты исследований отечественных и зарубежных учёных, даже однократным внесением этого удобрения можно резко улучшить условия питании культур практически всеми микроэлементами (A. Chang et al., 1982; С.Ф. Покровская и др., 1987; В.А. Касатиков, 1991; В.А. Касатиков и др., 1992; Л.К. Садовни-кова, 1995; H.V. Hue, 1996). Ряд авторов отмечает, что осадки городских сточных вод отличаются к тому же способностью мобилизовать и почвенные запасы микроэлементов (G. Sposito, М. Kenneth, J. Baham, 1976).
Конечно, применение ОСВ на удобрение предполагает строгое соблюдение регламентов. Обобщение обширного научного материала показывает, что в целом оправданными являются дозы этого удобрения, не превышающие 5-15 т/га по сухому веществу (В.А. Касатиков, 1989; Г.Е. Мёрзлая и др., 1995; С.Г. Дорошкевич и др., 2002).
Весьма немаловажной может быть роль в оптимизации микроэлементного состояния дерново-подзолистых почв такого местного удобрения как сапропель. Несмотря на то, что его запасы на Северо-Западе России огромны
(оцениваются в 7 млрд. м ), научные исследования по изучению его эффективности и, тем более, влияния в направлении оптимизации питания микроэлементами крайне разрозненны. С точки зрения обеспеченности основными макроэлементами сапропели в целом могут быть оценены как удобрения с удовлетворительной агрономической ценностью. Наиболее ценные виды са-пропелей в сухом веществе содержат до 50 % органических соединений, 4 -6 % азота, 1,5 - 2 % фосфора, 1,5 % серы и до 60 % кальция. Уровень их обеспеченности микроэлементами зависит от комплекса агрохимических и гидроморфологических факторов, в которых формировалось озеро и сапропелевая залежь (П.И. Анспок и др., 1991). В отдельных случаях он может быть столь высок, что почва способна даже загрязняться микроэлементами при внесении высоких доз сапропелей (В. Grund, 1989). Как показывает комплексная агрохимическая оценка сапропелевых залежей, предназначен-
ных для первоочередной разработки в Псковской области уровень обеспеченности большинства из них микроэлементами невысок. Наиболее обогащены микроэлементами сапропели органо-известковистого типа озёр Тетеринское, расположенного в Островском районе, и Песно (Плюсский район). Эти сапропели содержат более 10 мг/кг меди и 192 и 96 мг/кг цинка, соответственно.
Таким образом, динамика микроэлементного состояния дерново-подзолистых почв в процессе окультуривания последних может иметь разную направленность. Благоприятное влияние оказывают системы удобрения с применением высоких доз навоза. Быстрое повышение содержания микроэлементов может быть достигнуто внесением осадков сточных вод, отдельных видов сапропелей и микроудобрений.
1.4 Трансформация микроэлементного состояния пахотных дерново-подзолистых почв в условиях скрытой деградации
Хорошо окультуренные дерново-подзолистые почвы способны в течение длительного времени сохранять высокую продуктивность полевых культур без применения или при минимальных затратах минеральных удобрений (В.П. Бугаев и др., 1968). По свидетельству А.Д. Хлыстовского (1992), на окультуренной дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве без извести и без удобрений можно в течение 15 лет получать среднегодовую продуктивность 20 - 30 ц/га.
Вместе с тем, многие авторы указывают на то, что даже на фоне невысоких доз удобрений, не говоря уже о варианте без их использования, не удаётся избежать ухудшения большинства агрохимических показателей хорошо окультуренной почвы. Поскольку при этом сохраняется высокая продуктивность земли, В.Н. Ефимов и А.И. Иванов (2001) называют это явление скрытой деградацией почвенного плодородия.
Главнейшим фактором деградации окультуренных почв выступает высокий уровень продуктивных потерь основных элементов питания, связан-
42 ный с повышенной урожайностью полевых культур. В современных условиях, когда применение удобрений в нашей зоне почти полностью прекращено, баланс всех микроэлементов резко отрицательный. На этом фоне ожидать положительных изменений в микроэлементном состоянии вряд ли представляется возможным. Но, учитывая, что свойства деградирующей почвы будут изменяться не одинаково, это по-разному отразится на содержании и подвижности микроэлементов.
В исследованиях кафедры агрохимии и почвоведения ВГСХА установлено, что особенно быстро ухудшаются кислотно-основные свойства почвы, возвращая её в исходно кислое состояние.
Так, 12-летнее применение средних доз минеральных удобрений (120 -240 кг д.в./га) понизило pHKci с 6,34 до 5,99; содержание обменных оснований с 8,45 до 7,19 мг-экв./100 г почвы. На обычной дерново-подзолистой почве овощного севооборота при ежегодном внесении на 1 га 300 - 480 кг NPK, снижение названных показателей происходило в 7 - 10 раз интенсивнее вследствие высокого выноса кальция с урожаем и его повышенных инфильт-рационных потерь. Ситуация в химической мелиорации кислых почв в последнее время резко изменилась: баланс кальция стал отрицательным, количество применяемых известковых удобрений уже не компенсирует естественных потерь кальция из почвы. По данным агрохимслужбы за 1998 год в большинстве областей вынос кальция в 15 - 18 раз превысил его поступление в почву, отмечен устойчивый процесс повышения кислотности почвы. Это увеличение на уровне страны не говорит пока о резком подкислении почвы, но детальный анализ по отдельным регионам выявил достоверную тенденцию снижения плодородия почв, поскольку в России каждый третий гектар в настоящее время характеризуется повышенной кислотностью (Л. М. Державин, 1998; Н. И. Аканова, 2000).
Как известно, от повышения кислотности почвы можно ожидать заметного увеличения подвижности марганца (что для наших почв явление скорее нежелательное). В то же время при подкислении почвы неизбежно снижение
43 подвижности молибдена. (Р. Т. Вильдфлуш и др., 1972; Г. Я. Ринькис, 1975; X. К. Раманэ и др., 1975). А как было показано ранее, этим элементом почвы Северо-Запада особенно бедны.
Достаточно быстро деградирует и гумусное состояние хорошо окультуренной почвы. Снижение же гумусированности может в какой-то степени повысить подвижность меди. Но это не имеет решающего значения, поскольку в условиях остро дефицитного её баланса снижаются как общие запасы меди в почве, так и содержание её подвижных соединений (Д.Ж. Бериня, 1975; Я.В. Пейве, 1980).
Поскольку обеспеченность почв подвижными соединениями бора и молибдена в основном определяется балансом этих микроэлементов, то на фоне пренебрежения удобрениями в целом можно ожидать её существенного снижения. Правда, этот процесс идёт медленнее, чем у меди и цинка, поскольку уровень потребления этих микроэлементов в среднем в 10-20 раз меньше (Н.П. Битюцкий, 1999).
Следует признать, что в условиях общегосударственного пренебрежения удобрениями и в агрохимической науке проблема микроэлементов отошла на задний план. В результате в последние годы круг научной информации по этому вопросу существенно сузился. Хотя это отнюдь не означает, что такой проблемы не существует. Ведь хорошо окультуренные почвы представляют собой стратегический фонд нашего государства, утрата которого грозит продовольственной безопасности страны.
Другое дело, что перед современной агрохимической наукой остро стоит задача определения наиболее рациональных ресурсосберегающих направлений антропогенной деятельности на земле, обеспечивающих сохранение высокого уровня эффективного плодородия окультуренных почв. При этом должное внимание должно быть уделено и их микроэлементному состоянию, так как хорошая обеспеченность растений этими элементами позволяет, в том числе, и существенно экономить весьма дорогостоящие макроудобрения.
44 2. ОБЪЕКТЫ, УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Основу комплексного исследования, развёрнутого в учебно-опытном хозяйстве «Удрайское» в 1987 году, составили 2 стационарных опыта в полевых севооборотах и 1 микрополевой опыт с бессменной культурой ячменя. Объектами исследования в них служили хорошо окультуренные дерново-подзолистые почвы, различные виды удобрений и культурные растения. Факториальную базу для диссертационной работы создали результаты многочисленных наблюдений, учётов и анализов, проводимых сотрудниками и студентами кафедры агрохимии и почвоведения ВГСХА с 1987 года до настоящего времени. В комплексном исследовании кафедры с 2002 года активное личное участие принял и автор данной работы.
К моменту начала исследований хорошо окультуренные почвы в Северо-Западном районе были наименее изученными. Здесь они формировались на фоне интенсивных органических и органо-минеральных систем удобрения на приусадебных землях, в овощных и кормовых севооборотах, а в ряде случаев, на прилегающих к населённым пунктам полях полевых севооборотов. Их главное отличие - оптимальные параметры содержания основных элементов питания и агрофизических свойств.
По классификации Н.Л. Благовидова (1954) к хорошо окультуренным почвам относятся почвы, содержащие 2,2 - 4,8 % гумуса, 100 - 250 мг/кг подвижного фосфора, 100 - 260 мг/кг подвижного калия, имеющие pHKci 5,8 - 6,8 и насыщенность основаниями 75 - 85 %. Кроме того, хорошо окультуренные почвы отличаются благоприятными физическими свойствами и высокой биологической активностью (Н.А. Сапожников и др., 1977). По данным А.Н. Небольсина (1999), в настоящее время около 15 % пахотных почв Северо-Запада России (в состав которого входит и Псковская область) представлены хорошо окультуренными почвами.
В экономическом отношении хорошо окультуренные почвы являются стратегическим резервом сельского хозяйства страны. Об этом свидетельст-
45 вуют и зарубежный опыт, и результаты деятельности наших земледельцев в годы экономического кризиса. Именно окультуренные почвы позволяют выжить значительному числу землепользователей, поскольку ведение земледелия на слабоокультуренных почвах стало убыточным.
Вместе с тем, хорошо окультуренные почвы не являются консервативным образованием. В процессе использования они могут, как улучшаться, так и деградировать. Поэтому разработка теоретических основ сельскохозяйственного использования таких почв имеет важное теоретическое и практическое значение.
Физиологическая роль марганца и его состояние в дерново-подзолистых почвах
Строение атома марганца очень сходно со строением атома меди. Однако марганец отличается большей реакционной способностью, так как обладает более незавершённым d-подуровнем, чем медь. Если медь - предпоследний d-элемент четвёртого периода, то у марганца до завершения этого подуровня не хватает пяти электронов. В ядре атома марганца на 3 протона меньше, чем у меди, его атом легче.
Марганец активирует многочисленные ферменты, особенно при фос-форилировании. Благодаря способности переносить электроны путём изменения валентности он участвует во многих окислительно-восстановительных реакциях, участвует в образовании комплексных соединений. В световой ре акции фотосинтеза он участвует в расщеплении молекулы воды. Марганец входит в состав ферментов, стимулирующих образование аскорбиновой кислоты, синтез хлорофилла, активирует ферменты белкового обмена (П.И. Анспок, 1990; Д.С. Орлов, 1992, Н.П. Битюцкий, 1999).
Признаки дефицита марганца у растений чаще всего наблюдаются на карбонатных, сильно известкованных, а также на некоторых торфяных и других почвах при рН выше 6,5. При недостатке марганца понижается синтез органических веществ, уменьшается содержание хлорофилла в растениях, они заболевают хлорозом. Марганцевая недостаточность у растений обостряется при низкой температуре и высокой влажности. Накопление марганца в токсических для растения концентрациях (более 150 мг/кг) наблюдается на кислых дерново-подзолистых почвах. При известковании почв марганец переходит в малодоступные для растений формы (Я.В. Пейве, 1980; П.И. Анспок, 1990).
Содержание марганца в растениях зависит от их биологических особенностей и запасов его доступных форм в почвах (П.И. Анспок, 1990). В различных исследованных культурах он содержался в количестве от 8 до 116 мг на 1 кг сухого вещества. Мало его в зерне кукурузы, проса, гороха. Много марганца накапливают люцерна, клевер, сахарная свекла. Разные органы одного и того же растения накапливают неодинаковое количество марганца. Больше всего его содержится в листьях, меньше в зерне и совсем мало в корнях (Е.В. Тонконоженко, 1973; В.М. Чурбанов, 1976). В листьях верхнего яруса марганца больше, чем в листьях среднего и нижнего ярусов (СИ. Тома, 1973). В зародыше семян его больше, чем в эндосперме и семядолях (Н.Л. Шарова и др., 1976). По данным М.В. Каталымова (1957), количество марганца в растениях колеблется от тысячных до сотых долей процента на 1 кг сухого вещества. Дефицит, оптимум и избыток марганца в растениях составляет соответственно 15 - 25, 20 - 300 и 300 - 500 мг/кг сухого вещества (П.О. Дуглас, 1988).
Кларк марганца в почвах составляет 600 мг/кг (С.А. Барбер, 1988; А. Кабата-Пендиас и др., 1989). В различных почвах бывшего СССР содержание валового марганца колеблется от 100 до 4200 мг/кг (А.П. Виноградов, 1957; А.С. Радов и др., 1978). Наиболее бедны этим элементом подзолистые почвы, в чернозёмах на 1 кг почвы приходится валового марганца 840 мг, а подзолистых - 590 (М.Г. Сеничкина и др., 1986). По стране почвы с низким содержанием марганца составляют 16,4 %, средним - 34,4 % и высоким -49,2 % (А.Н. Аристархов и др., 1981). В настоящее время известно около 150 марганцевых минералов, среди которых наиболее распространены пиролюзит, псиломелан и манганит. Кроме того, марганец в 2-х валентной форме входит в состав сотен других соединений - сульфидов, оксидов, боратов, сульфатов и фосфатов (П.И. Анспок, 1990).
Содержание подвижных форм марганца в почве коррелирует с их валовым содержанием (А.В. Бердникова, 1981). По данным П.И. Анспок (1990), дерново-подзолистые почвы содержат наибольшее количество подвижного марганца 50 - 150 мг/кг почвы. В черноземах оно колеблется от 1 до 75 мг/кг, в сероземах - 1,5 - 125 мг/кг, каштановых и бурых - 1,5 - 75 мг/кг. По данным В.А. Ковды и др. (1959), в почвах в среднем на долю подвижного марганца приходится 40 - 50 % его валового содержания. Количество подвижного марганца изменяется в зависимости от окислительно-восстановительных реакций, происходящих в почве, от её кислотности и щелочности (А.Х.Шеуджен и др., 1996).
А. Кабата-Пендиас и др. (1989) указывают, что марганец может накапливаться в разных почвенных горизонтах, особенно обогащенных оксидами и гидроксидами железа. Обычно этот элемент аккумулируется в верхнем горизонте почв вследствие его фиксации органическим веществом.
Агрогенетическая и агрохимическая характеристика объектов исследования
Все обследованные почвы оказались высоко обеспеченными марганцем. Содержание подвижных соединений марганца на обследованных 32 тыс. га пашни Псковской области составило 60 мг/кг и больше, что свидетельствует о хорошей обеспеченности этим микроэлементом. Объясняется это природной обогащённостью материнских пород марганцем и доминированием в современных пахотных почвах благоприятных условий для поддержания высокой подвижности его соединений. В частности, это повышенная кислотность почв и довольно частые периоды восстановительных условий, вызванные избыточным увлажнением.
Примерно четверть от обследованных пахотных почв характеризовались низкой обеспеченностью бором, медью и молибденом. Доля среднеобеспеченных подвижными соединениями бора и меди в 1,3 - 1,8 раза больше. От четверти до половины пахотных угодий характеризовались высокой обеспеченностью подвижными соединениями бора, меди и молибдена. Правда, данные по молибдену вряд ли являются репрезентативными, поскольку получены по результатам обследования незначительной части пахотных почв. К тому же они противоречат результатам исследований целого ряда авторов (П.И. Анспок, 1990; Н.П Битюцкий, 1999). Таким образом, доля почв, высоко обеспеченных отдельными микроэлементами, на пашне Псковской области составляет от 27 до 100 %. Это существенно превосходит представ 47 ленность хорошо окультуренных дерново-подзолистых почв и указывает на отсутствие прямой связи между процессом окультуривания и ростом обеспеченности почв подвижными соединениями микроэлементов. Хотя исследования А.И. Иванова (2000) всё же показывают, что с ростом степени окуль-туренности почв увеличивается и их обеспеченность не только валовыми запасами микроэлементов, но и подвижными соединениями. На стадии слабой окультуренности микроэлементное состояние пахотных почв, как правило, ухудшалось в сравнении с целинными аналогами.
В песчаных дерново-подзолистых почвах динамика микроэлементного состояния в ряде случаев не носила столь закономерного характера (Т.И. Яковлева, 2005). Да и в целом эти почвы при любой окультуренности характеризовались невысоким содержание микроэлементов. Некоторой обо-гащённостью отличались лишь песчаные почвы на карбонатных моренных отложениях. Их преимущество по отдельным соединениям микроэлементов составляет от 1,3 до 5 раз.
Приведённая информация указывает на исключительную пестроту почв Псковской области по содержанию микроэлементов. И последняя может определяться как генезисом, так и уровнем окультуренности почв. Агрогенетическая и агрохимическая характеристика объектов исследования Методической основой нашего исследования служили три полевых опыта: стационарный в зернопропашном севообороте «картофель - рожь озимая - свёкла кормовая - овёс - кукуруза - ячмень» с применением различных доз минеральных удобрений (заложен в 1987 году), стационарный в зернопаротравяном севообороте «чистый пар - рожь озимая - клевер - клевер - картофель - ячмень - лён» с применением минеральной и органической систем удобрения (заложен в 1996 году) и модельно-полевой опыт с применением различных известковых мелиорантов (заложен в 2002 году). Все три опыта были заложены на опытном поле Великолукской ГСХА в учхозе «Удрайское», расположенном в юго-восточной части Псковской области. Территория его находится на Ловатской низменности, опытное поле размещено на возвышающемся над нею достаточно равнинном Ивановском увале с абсолютными высотами от 96 до 112 м. Морфологическое строение используемой для опытов почвы может быть охарактеризовано почвенным разрезом, заложенным в 1987 году:
А „ах 0 - 22 см - тёмно-серый, комковато-пылеватый, рыхлый, легкосуглинистый, корни в обилии, мелкие валунчики, следы земле-роев, переход ясный. А] А2 22 - 27 см - светло-серый, пылеватый, рыхлый, легкосуглинистый, встречаются корни, белёсые пятна кремнезёма, переход постепенный. A2B 27 -83 см - светло-красный с белёсыми затёками, плитчатый, плотноватый, среднесуглинистый, мелкие валунчики, переход постепенный. ВС 83 -110 см - красный, плитчатый, плотноватый, среднесуглинистый, в нижней части опесчаненный, с глубины 100 см слабо вскипает от НС1, переход резкий. Д 110 -140 см - белёсый, рыхлый, слоистый озёрно-ледниковый песок с сизыми пятнами оглеения, слабо вскипает от НС1. Почва дерново-слабоподзолистая остаточно-карбонатная на маломощном моренном суглинке, подстилаемом озёрно-ледниковым песком. Для всех опытов использована легкосуглинистая почва пылевато-мелкопесчаного гранулометрического состава (табл. 6).
Гранулометрический состав почвы характеризуется постепенным утяжелением в направлении материнской породы. Агрофизические свойства почвы в опыте достаточно типичны для хорошо окультуренных почв: плотность твёрдой фазы 2,51-2,57 г/см ; объёмная і масса (после сева культур) 1,12-1,23 г/см ; общая пористость 52-55 %.
Изменение кислотно-основных свойств почвы
Удобрения, используемые в сельскохозяйственном производстве, оптимизируют питательный режим почвы. При этом агрохимиками уже достаточно давно было подмечено, что поведение микроэлементов, в том числе и в дерново-подзолистых почвах во многом зависит от состояния макроэлементов в них, то есть от комплекса агрохимических показателей. Наиболее выраженным воздействием на состояние микроэлементов отличаются комплекс физико-химических свойств почвы, обеспеченность их фосфатами и гумусом (П.И. Никишкина, 1963; В.Ф. Ушакова, 1966; В.И. Голов и др., 2000).
Приуроченность отдельных микроэлементов к тем или иным физико-химическим или агрохимическим свойствам почвы определяется, главным образом, их индивидуальными химическими свойствами. Так, микроэлементы из числа переходных d-металлов (например, марганец и железо) обладают наибольшей подвижностью в восстановительных условиях. Нейтрализация почвы ведёт к резкому уменьшению растворимости их соединений. Медь склонна к реакциям комплексообразования с органическим веществом и поэтому её растворимость уменьшается с ростом гумусированности почвы.
Применение фосфорных удобрений способствует химическому связыванию в нерастворимые фосфаты целого ряда микроэлементов. Действие же азотных удобрений носит скорее противоположный характер (Н.П. Битюц-кий, 1999).
И всё же, по общему мнению учёных, наибольшее влияние на состояние микроэлементов в дерново-подзолистых почвах оказывают кислотно-основные свойства. Снижение кислотности при известковании уменьшает растворимость не только марганца и железа, но также меди и бора. Подвижность соединений почвенного молибдена при этом, напротив, возрастает (Б.А. Ягодин и др., 2003).
Кислотно-основное состояние дерново-подзолистых почв от природы в большинстве случаев неудовлетворительное. Однако его оптимизации за счёт известкования можно добиться даже на стадии слабой окультуренности. У хорошо окультуренных почв большинство показателей кислотно-основного состояния оптимизировано, и они являются насыщенными основаниями.
Этот фактор, по мнению Н.П. Битюцкого (1999), является одной из главных причин повышенной потребности растений в микроэлементах при их выращивании на окультуренных почвах.
Однако оптимизированные кислотно-основные свойства окультуренных дерново-подзолистых почв не могут быть устойчивыми в принципе, поскольку сильно оторваны от своего природного равновесного состояния. Важнейшими факторами их подкисления выступают непрекращающийся подзолообразовательный процесс, промывной водный режим, способствующий значительным инфильтрационным потерям оснований и, в первую очередь, кальция. В такой ситуации существенную роль могут играть и минеральные удобрения, оказывающие как непосредственное подкисляющее действие на почву, так и усиливающие потребление растениями оснований.
Данные опыта в зернопропашном севообороте подтверждают выводы большинства исследователей о деградации кислотно-основного состояния дерново-подзолистой почвы в процессе интенсивного сельскохозяйственного использования. В контрольном варианте опыта в зернопропашном севообороте за 18 лет исследований рНВ0Л. снизился на 0,4 и рНксі - на 0,5 ед. (табл. 12). Среднегодовые темпы снижения этих показателей составили 0,022 и 0,028 ед. рН. О повышении кислотности почвы свидетельствуют и другие характеристики кислотно-основного состояния почвы: сумма обменных оснований в контроле снизилась на 2,33 мэкв/100 г, гидролитическая кислотность выросла на 0,16 мэкв/100 г (по 0,13 и 0,009 мэкв/100 г ежегодно). Это связано с инфильтрационными потерями кальция и естественным течением подзолообразовательного процесса.
В варианте с внесением аммиачной селитры в дозе N90-120 темпы роста актуальной и обменной кислотности оказались несколько выше за счёт увеличения продуктивных потерь кальция и магния. За годы исследований рНв0Д. уменьшился на 0,83 ед., а рН«сі - на 0,73 ед.
Изменение микроэлементного состояния хорошо окультуренной дерново-подзолистой почвы
Некоторая оптимизация питательного режима почвы в вариантах с известью обеспечила также положительный эффект. Несмотря на то, что известняковая мука - медленно действующее удобрение, уже в первый год после её внесения растения ячменя были на 7 % выше растений контрольного варианта, продуктивная кустистость увеличилась на 24 %, а ФСП - на 50 %. Такие существенные отличия биометрических показателей были хорошо заметны даже визуально. Неблагоприятные погодные условия 2003 и 2004 годов практически снивелировали биометрические показатели ячменя в удоб репных вариантах с контролем. Возможно, при более благоприятных тепловом и водном режимах последействие местных известковых мелиорантов сказалось бы на изучаемых показателях и в последующие годы, ведь их активное нейтрализующее действие обнаружено и в 2003, и в 2004 годах.
Таким образом, можно заключить, что изучаемые системы удобрения в целом положительно влияют на биометрические показатели полевых культур. Наибольший эффект получен в тех случаях, когда в результате применения удобрений удавалось улучшить питание растений азотом. Но это, в свою очередь может привести к ухудшению микроэлементного состояния почвы, так как значительно увеличивается потребность растений в микроэлементах. Кроме того, даже при очень хороших показателях почвенного плодородия в Северо-Западной зоне России важное значение имеют погодные условия. Только благоприятная метеорологическая обстановка в течение вегетационного периода позволяет получить полную отдачу от любой применяемой системы удобрения.
Одним из факторов, определяющих баланс микроэлементов в почве, является вынос их с урожаем, который напрямую зависит от урожайности полевых культур.
Три ротации зернопропашного севооборота достоверно доказали наличие высокого потенциала продуктивности хорошо окультуренной дерново-подзолистой почвы. Даже в варианте без применения удобрений среднегодовая продуктивность полевых культур оставалась на очень высоком уровне (в среднем 5,0 т/га з.ед.) (табл. 16). Самым эффективным оказался вариант с применением одного азотного удобрения. Прибавки урожая всех культур севооборота составили в среднем 30 % по основной и 33 % по побочной продукции. Исключением стал лишь жаркий и сухой 1992 год, погодные условия которого обеспечили высокий урожай не только в удобренных, но и в контрольном варианте. На низкую эффективность азотного удобрения в засушливые жаркие годы указывают также исследования Л.В. Будажаповой и И.А. Лавровой (1998).
Особенно отзывчивыми на азотное удобрение были пропашные культуры, у которых среднегодовые прибавки урожая составили 39 %, у озимой ржи они снизились до 28 %, у яровых зерновых - до 17,5 %.
Действие фосфорных и калийных удобрений не было столь однозначным. Первые десять лет опыта и фосфорные и калийные удобрения, применяемые в средних дозах, были абсолютно неэффективными. В 1997 году, после 11-летнего внесения фосфорно-калийных удобрений, в варианте N120P60K-6O) было впервые зафиксировано достоверное превышение урожая над вариантом N120 на посевах кукурузы. Ощутимая тенденция в этом же направлении сохранилась и в 1998 году на культуре ячменя, и она в целом соответствует представлениям о возрастании с годами доступности питательных веществ удобрений в сравнении с их почвенными запасами (В.И. Ники-тишен, 1984). Однако данные третьей ротации не подтвердили это предположение. В течение последних 6-ти лет севооборота вновь действовало лишь азотное удобрение. В конечном итоге дополнение азотного удобрения фосфорными и калийными практически вдвое снижало окупаемость действующего вещества туков.
В полевом опыте по изучению действия навозной и минеральной систем удобрения в течение одной ротации в семипольном зернопаротравяном севообороте среднегодовая урожайность основной продукции полевых культур в варианте без удобрений составила 4,8 т/га з. ед. (табл. 17), что также свидетельствует о высокой продуктивности изучаемой хорошо окультуренной дерново-подзолистой почвы.
В удобренных вариантах в прямом действии наблюдалось незначительное преимущество минеральной системы удобрения. Прибавки урожая озимой ржи от внесения 40 т/га навоза составили: по зерну - 37 %, соломе Таблица 17 - Влияние органической и минеральной систем удобрения на продуктивность полевого севооборота с многолетними травами Варианты Урожай продукции, т/га Прибавка урожая продукции а от полного минерального удобрения - 43 и 20 % соответственно. У картофеля урожай основной продукции вырос на 12 % при органической и на 14 % - при минеральной системе удобрения.
Последействие удобрений уже на первой культуре было весьма слабым (особенно азотных). У навоза оно было несколько значительнее - прибавка урожая клевера 1-го года составила 12 % в сравнении с контролем. На остальных культурах последействия ни минеральной, ни органической систем удобрения не обнаружено. В целом за ротацию севооборота варианты систем удобрения обеспечили примерно равный сбор сельскохозяйственной продукции и удовлетворительную отдачу.
