Содержание к диссертации
Введение
Глава I. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 9-32
1.1. Природные условия и особенности почвообразования в зоне влажных субтропиков Западной Грузии 9
1.1.1. Почвообразущие порода II
1.1.2. Почвы 14
1.2. Ооъекты исследования 18
1.3. Методы исследования 23
I.3.I.' Полевые методы исследования 23
1.3.2. Методы лабораторных исследований . 23
1.3.3. Методы обработки экспериментальных данных 25
Глава 2. ВЛИЯНИЕ ДЖШЪНОГО И СИСТЕМАТИЧЕСКОГОПРИМЕНЕНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРАСНОЗЕМОВ ЧАЙНЫХ ПЛАНТАЦИЙ 33-47
2.1. Влияние культуры чая и минеральных удобрений на физические свойства красноземов 33
2.2. Влияние культуры чая и минеральных удобрений на химические свойства красноземов 34
2.2.1. Общее содержание гумуса и изменение его группового состава 35
2.2.2. Изменение содержания питательных веществ 39
2.2.3. Изменение потенциальной и актуальной кислотности в результате применения минеральных удобрений 40
Глава 3. БИОГЮХИМЙЯ ЭЛЕМЕНТОВ В КОРАХ ВЫВЕТРИВАНИЯ И КРАСНОЗЕМАХ 48-100
3.1. Поведение химических элементов при выветривании пород и формировании кор вы ветривания 48
3.I.I. Поведение химических элементов в деятельной зоне почвообразования 50
3.2. Влияние почвообразования на поведение химических элементов в красноземах 62
3.2.1. Влияние почвообразования на поведение химических элементов в целинных красноземах 63
3.3. Влияние длительного и систематическогоприменения минеральных удобрений на состояние химических элементов в почвах чайных плантаций 66
3.3.1. Железо 66
3.3.2. Марганец 78
3.3.3. Медь 90
3.3.4. Цинк 96
Глава 4. ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ НА ОСОБЕННОСТИ БИОЛОГИЧЕСКОГО КРУГОВОРОТА ЭЛЕМЕНТОВ В КРАСНОЗЕМАХ ЧАЙНЫХ ПЛАНТАЦИЙ I0I-II7
4.1. Содержание микроэлементов (Ре,Мп, Си, Zn ) в органах чайного растения 101
4.2. Особенности биологического круговорота химических элементов в красноземах чайных плантаций 108
Глава 5. МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В ПРИРОДНЫХ И ПОЧВЕННО-ГРУНТОШХ ВОДАХ ЗАПАДНОЙ ГРУЗИИ 118-124
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 125
ВЫВОДЫ 129
ЛИТЕРАТУРА 132
ПРИЛОЖЕНИЕ 155
- Природные условия и особенности почвообразования в зоне влажных субтропиков Западной Грузии
- Влияние культуры чая и минеральных удобрений на физические свойства красноземов
- Поведение химических элементов при выветривании пород и формировании кор вы ветривания
- Содержание микроэлементов (Ре,Мп, Си, Zn ) в органах чайного растения
Введение к работе
В начале века возникло и стало успешно развиваться новое направление в науке - биогеохимия. Основы биогеохимии в СССР были заложены В.И.Вернадским, установившим большую роль живого вещества в превращении различных химических элементов в природе. В дальнейшем идеи В.И.Вернадского о роли живого вещества в процессе миграции элементов были развиты А.П.Виноградовым и легли в основу его учения о биогеохимических провинциях. Большой вклад в изучение элементов в биосфере, их геохимии принадлежит В.А.Ков-де, Я.В.Пейве, В.В.Ковальскому, А.П.Власюку, М.А.Глазовской, Н.Г.Зырину, В.Б.Ильину, М.В.Каталымову, В.В.Добровольскому и др. В.В.Ковальский (1974) ввел понятие "критических" или "пороговых" концентраций элементов в среде, выше или ниже которых у растительных организмов наблюдается определенная реакция.
По В.В.Ковальскому пищевые цепи являются связующим звеном между средой обитания растительными и животными организмами различных участков земной поверхности. Изучение этих связей в природном или земледельческом ландшафте служит основой для нормализации минерального питания растений, животных и человека.
Необходимость не только макро-, но и микроэлементов для жизнедеятельности растений является давно установленным фактом, они выполняют важные биологические функции, влияют на урожай и качество сельскохозяйственных культур. Рентабельное применение макро- и микроудобрений нуждается в точных сведениях о запасах их в почвах, о миграции элементов в природных и земледельческих ландшафтах.
Основным источником поступления элементов в почву является материнская порода. Запасы их в почве в основном обусловлены - 5 -свойствами почвообразувдей породы. Поэтому изучение распределения микроэлементов в почвообразующих породах имеет большое практическое значение.
Дифференциация микроэлементов в почвенном профиле в значительной мере зависит от растительности. Растения избирательно поглощают различные химические элементы из глубоких слоев минерального субстрата и с опадом и корневыми остатками выносят их в поверхностные слои. Изучение потребления химических элементов различными видами диких и культурных растений составляет одну из сторон изучения круговорота в системе порода-почва-растение.
Западная Грузия является основным районом возделывания ценных субтропических культур и единственным регионом СССР, где можно наблюдать специфические красноцветные коры выветривания и формирующиеся на них красноземные почвы.
В настоящее время Грузинская ССР является основной сырьевой базой чайной промышленности. Здесь выращивается до 95% всего количества отечественного чая. Однако страна обеспечена им примерно на 70%, большое количество чая завозится из-за рубежа (Чхаидзе, 1983). В утвержденных на ХХУІ съезде КПСС "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" говорится о необходимости надежного обеспечения народа продовольствием и сельскохозяйственным сырьем. Конкретные задачи определены и для субтропического растениеводства. Чаеводы республики должны довести производство сортового чайного листа в 1985 году до 560 тысяч, а в 1990 году до 740-750 тысяч тонн.
Субтропические районы Западной Грузии являются самыми северными субтропиками земного шара. Чем больше несоответствие между условиями произрастания и происхождения культуры, тем выше требования растений к внешней среде, в частности к почвенному питанию. Следует отметить, что среди культурных растений редко встречаются виды, урожай которых под влиянием минеральных удобрений возрастал бы столь резко, как это происходит с растением чая.
С другой стороны, наиболее глубокие изменения физико-химических свойств при длительном применении удобрений происходят именно в красноземной почве под культурой чая. Работами многих советских агрохимиков было показано, что систематическое применение удобрений сопряжено не только с положительным эффектом: увеличение содержания гумуса на 2-3$, доступных питательных веществ -в 2-6 раз, но с рядом нежелательных последствий. Доказано, что аммонийные формы азота и хлорид калия ухудшают биологические и химические свойства кислых почв: понижают темпы разложения клетчатки, увеличивают все виды почвенной кислотности, количество подвижного алюминия, способствуют выщелачиванию кальция и магния (Г.И.Голетиани, 1937, 1942, 1958, 1959, 1976; Чантурия, 1964, 1965; Д.Г.Голетиани, 1965, 1970; Л.И.Саришвили, 1969; Бзиава, 1973; Дараселия, 1974; И.Ф.Саришвили, 1974, 1976, 1977; Бара-бадзе, 1977, 1984).
Увеличение кислотности в 2-Ю: раз изменяет миграционную способность ряда элементов, необходимых не только для питания растений, но и для "устойчивости" почв, предохранения их от деградации. Все это приводит к нарушению экологического равновесия, масштабы и последствия которого необходимо изучать, предсказывать и корректировать в соответствии с новой экологической обстановкой, созданной человеком за последние 50-90 лет (Зонн, цит.: Дараселия, 1974).
Перечисленные обстоятельства побудили изучить влияние дли- тельного и систематического применения удобрений на состояние химических элементов в системе почва-чайное растение, что позволило бы в современных условиях понять и прогнозировать поведение элементов в процессе выветривания и почвообразования, миграцию и аккумуляцию их в ландшафтах, полнее агрономически характеризовать почвы и диагностировать обеспеченность растений элементами питания. Вопросы влияния подкисления красноземов на подвижность элементов, их поступление и соотношение в чайном растении недостаточно изучены. В частности, не выяснена количественная сторона преобразований краснозема под влиянием удобрений, как глубоко затронут почвенный профиль этими преобразованиями. Не изучено также количественное влияние чайного растения на изменение состава и свойств красноземов. Не ясна также судьба продуктов преобразований красноземов, поведение химических элементов в ландшафтах субтропиков под влиянием длительного и систематического применения удобрений.
Целью настоящего исследования было изучить биогеохимическое поведение ряда макро- и микроэлементов в системе порода-кора выветривания-почва-чайное растение, количественно оценить масштабы, глубину изменений состава и свойств красноземов за последние 50-90 лет.
Влли поставлены следующие конкретные задачи:
Количественно оценить миграцию химических элементов при выветривании пород и почвообразовании.
Выявить влияние длительного и систематического применения минеральных удобрений и монокультуры чая на изменение состояния ряда химических элементов в красноземах.
Изучить особенности биологического круговорота химических элементов при длительном выращивании чая и его влияние на - 8 -состав и свойства красноземов.
4. Исследовать поступление и соотношение химических элементов в чайном листе в зависимости от применения минеральных удобрений.
Данная работа является продолжением работ, которые кафедра химии почв проводила под руководством профессора Н.Г.Зырина по Западной Грузии, начиная с 1968 года (работы В.Д.Симонова /1971/, Г.В.Мотузовой (1972), М.С.Малининой (1976), Л.А.Гавва (1976), а также работ кафедры, выполняемых в содружестве с сотрудниками ВБПО ЧиСК под руководством профессора М.Л.Бзиава (работы Т.Д.Щинарадзе (1983), Л.А.Барабадзе (1984).
Полевой материал (породы, коры выветривания, почвы, растения, речные и почвенно-грунтовые воды) был собран автором в составе почвенно-химического отряда микроэлементной экспедиции кафедры химии почв в 1978-1983 гг. под руководством доцента А.И.Обухова.
Автор благодарит сотрудников кафедры химии почв факультета почвоведения МГУ, содействовавших выполнению настоящей диссертационной работы, сотрудников ВНПО ЧиСК за консультацию и помощь при отборе образцов с опытных участков на чайных плантациях.
Особую признательность автор приносит Анатолию Ивановичу Обухову за руководство и повседневную помощь в работе.
Природные условия и особенности почвообразования в зоне влажных субтропиков Западной Грузии
В Западной Грузии преобладает влажный субтропический климат, который всецело определяется ее географическим положением. Сравнительно теплыми зимами и не жарким летом она обязана расположению на склонах гор, находящихся под влиянием теплого Черного моря. Высокие хребты, которые близко подходят к берегу моря, с одной стороны, служат защитой от холодного влияния севера, а с другой, являются барьером для ветров со стороны моря, которые несут тепло и влагу. Влажные субтропики отличаются продолжительным теплым летом и короткой мягкой зимой. Средняя годовая температура +14С. Сумма температур выше +10 составляет от 4000 до 4500С, продолжительность безморозного периода составляет 250-290 дней, устойчивый снежный покров не образуется, продолжительность вегетационного периода - 240-250 дней (Сабашвили,1948, 1954; Бзиава, 1973; Дараселия, 1974; Гутиев, Мосияш, 1977; Почвы СССР, 1979).
Средняя сумма осадков - 2000 мм в год. В южной части субтропиков Грузии преобладают осенне-зимние осадки. Минимальное количество приходится на апрель-май. Отличительной чертой выпадения осадков является ливневый характер их выпадения (в сутки иногда выпадает 100-150 мм, интенсивность - до 2-3 мм в минуту). Число дней с осадками может достигать 180 за год, то есть в среднем осадки выпадают через день. Такой характер выпадения осадков - главная причина сильных эрозионных процессов, несмотря на то, что в силу благоприятных физических свойств эти почвы характеризуются сравнительно высокими противоэрозионными свойствами. Так как годовая испаряемость меньше годовой суммы осадков, в почвах создается промывной водный режим. Водный режим почв благоприятен для развития биологических процессов, гидролиза, высокой динамичности окислительно-восстановительных процессов и способствует активной геохимической миграции многих элементов. В целом температурные условия в зоне влажных субтропиков весьма благоприятны для процессов разложения и превращения органических и минеральных веществ.
Относительная влажность воздуха довольно однообразна: летом несколько выше, чем зимой, и колеблется в пределах 70-80%. Минимум наблюдается при сухих восточных ветрах, при которых влажность может падать до 10-15% (Бзиава,1973; Дараселия,1974).
Рельеф зоны распространения красноземов представлен холмами с пологими и покатыми склонами, высота которых варьирует от 200 до 250 м над уровнем моря.
Большое количество осадков и обилие тепла способствуют быстрому росту и развитию культурной и естественной растительности, древесная растительность представлена густыми субтропическими лесами понтийского типа, состоящими в основном из бука, граба, каштанов, дуба с примесью клена, а по более влажным местам - ольхи. В мощном подлеске очень много понтийского рододендрона, лавровишни, падуба. Деревья перевиты лианами, плащом, ломоносом, диким виноградом. Под пологом леса и на лесных поля о нах обильно произрастает папертник (Флора и растительность Аджарии, 1970; Батумский ботсад, 1978). Биомасса субтропических лесов превышает 4000 ц/га, величина опада - 200-250 ц/га с очень переменным количеством золы (от 3 до 10%) /Базилевич, Родин, 1964; Зырин и др., 1979/.
Влияние культуры чая и минеральных удобрений на физические свойства красноземов
Общеизвестно, что красноземам свойственны агрономически ценная структура и хорошие водно-физические свойства. По данным Д.И.Ониани (1961), Д.А.Долидзе (1969), Т.А.Глонти (1972), М.К.Дараселия (1974) и других авторов, изменения механического состава в этих почвах при окультуривании незначительны. В почвах чайных плантаций под влиянием агротехники наиболее заметно меняется сложение, увеличивается объем пор. В окультуренных почвах чайных плантаций, по сравнению с целиной, уменьшается объемный вес и возрастает водопроницаемость за счет порозности. Общая по-розность в окультуренных красноземах в слое 0-45 см в среднем равна 69,5$, т.е. на 3-5$ выше, чем в целинных почвах (Глонти, Дараселия, 1972, 1974).
Продолжительное применение минеральных удобрений, особенно их физиологически кислых форм, вызывает глубокое изменение химических свойств красноземов: увеличивается содержание питательных элементов, повышается кислотность, почва обедняется основаниями.
Изучению изменений химических свойств красноземов посвятили свои работы Г.И.Голетиани (1938, 1942, 1958), Д.Г.Голетиани (1965, 1970), Д.А.Долидзе (1969), М.Л.Бзиава (1973), М.К.Дараселия (1974), Й.Ф.Саришвили (1976), Л.А.Барабадзе (1977, 1984), Ю.Я.Тавдишвили (1979), М.В.Габисония и др. (1980), О.Г.Ониани и др. (1980).
Вопросу о роли минеральных удобрений в накоплении органического вещества в почве под чайной культурой посвящены многочисленные исследования советских агрохимиков, работающих в области субтропиков. С.Г.Годзиашвили впервые установил, что длительное (в течение 15 лет) применение удобрений вызвало увеличение содержания гумуса на 1-1,5$ (цит. по: Б.А.Годзишвили, 1978). Значительное увеличение (на 2-4$ и больше) содержание гумуса при окультуривании красноземов отмечено в исследованиях Г.И.Го-летиани (1958, 1976), Д.Г.Голетиани (1965, 1967), И.АЛантурия (1964), М.Л.Бзиава (1973) и др. МД.Бзиава (1973) отмечал, что в первые годы освоения целинных красноземов происходит интенсивное разложение легко связанной части гумусовых соединений, и поэтому имеет место снижение общего содержания гумуса в почвах неудобренных делянок, в среднем по всей глубине на 0,(. Снижение общего содержания гумуса в верхнем горизонте почв неудобренной делянки, по сравнению с целиной, в основном объясняется разложением гумуса, вымыванием и перемешиванием слоев при первичной обработке почвы.
Длительное воздействие человека на почвы чайных плантаций, сопровождаемое систематическим внесением КРК, привело к некоторому увеличению содержания всех основных групп гумусовых веществ. Это объясняется лучшим, по сравнению с контрольным вариантом, развитием чая по фону Ъ1РК и, соответственно, большим поступлением в почвы растительного материала из опавших листьев, цветов, семян, веточек, служащих источником образования гумусовых веществ. Обогащение почвы перегноем заметно даже морфологически: красновато-бурая окраска пахотного слоя изменяется на темно-серую, почти черную. В Приложении дано морфологическое описание разрезов,заложенных под лесом (р.7) и на чайной плантации (уч.68).
Поведение химических элементов при выветривании пород и формировании кор вы ветривания
Первые работы по геохимии батумских красноземов относятся к концу прошлого -началу настоящего столетия. Это работы В.В.Докучаева (1896), К.Д.Глинки (1904), А.Н.Острякова (1918), которые показали, что при выветривании пород в южной части Черноморского побережья происходит накопление полуторных окислов, уменьшение содержания кремнекислоти и оснований.
Основы геохимического изучения процессов выветривания в Западной Грузии были заложены Б.Б.Полыновым (1933, 1944, 1956). Рассматривая миграционную способность элементов в красноземной коре выветривания района Батуми, Б.Б.Полынов с сотрудниками установил, что выветривание в субтропических районах идет с большой скоростью и сопровождается интенсивной миграцией многих элементов, в том числе и малоподвижных в других зонах. Б.Б.Полынов показал, что наименее подвижным элементом здесь является железо. Алюминий, миграционная способность которого также не велика, все же характеризуется значительно более высокой миграционной способностью, о чем свидетельствует его наличие в листьях деревьев, растущих на красноземной коре выветривания (в золе листьев граба было найдено до 16$ Я203) и обогащение им (по сравнению с 0.3 ) коры выветривания. Очень высокой миграционной способностью обладает в этих условиях . которая выносится с такой же интенсивностью, как и Са. Для Щ на поздних стадиях формирования коры, напротив, выявляется сравнительно слабая миграционная способность, что находит отражение в обра - 49 -зовании адсорбционных магнезиальных соединений и накоплении обменного Щ в коре выветривания.
Наиболее обширные исследования поведения элементов при выветривании пород Батумского побережья были проведены Н.Л.Лисицыной (1962, 1968, 1973). Автором впервые для условий Западной Грузии был применен изоволюметрический метод расчетов для изучения поведения макро- и микроэлементов при выветривании, что позволило получить количественные характеристики выноса этих элементов на разных этапах формирования кор выветривания.
Макро- и микроскопические исследования авгит-лабрадорового порфирита и его продуктов выветривания, проведенные Н.А.Лисицыной (1973), показали, что в продуктах выветривания пород Батумского побережья сохраняется структура исходного порфирита и объем породы меняется при этом очень мало; это позволило автору применить изоволюметрический метод для расчетов. Автором выделены четыре группы элементов с различной подвижностью для данного типа выветривания:
A. Легкоподвижные элементы (коэффициент устойчивости Кусоставляет от сотых долей до 0,3).
Б. Подвижные элементы (0,3 Ку 0,5).
B. Малоподвижные элементы (0,5 Ку 0,7).
Г. Устойчивые элементы (0,7 Ку 6. I).
Н.А.Лисицына (1973) к группе легкоподвижных относит следующие элементы -No, К, Ca,il , Со, Cr , &t , к группе подвижных - Сц,п. , Мп, V, к малоподвижным -Ni , AI, к устойчивым itТе,2г. По данным этого автора, при разложении материнской породы (авгит-лабрадоровый порфирит) и образовании кор выветривания выносится до 25$ Зё , 45$ Ті , 50$ Мп, № , V ; 70-80$ 2ц, Сг, Со; 92$ Са, К, N"a от содержания элементов в исходной породе.
Содержание микроэлементов (Ре,Мп, Си, Zn ) в органах чайного растения
Физиологическая роль микроэлементов в развитии чайного куста, их влияние на повышение урожайности и качества получаемой продукции отмечались во многих работах (Троицкий, 1949; Чанишвили, 1955; Метревели, 1961; Годзиашвили, Жеденава,1962; Гиоргадзе, 1963; Голетиани, 1970; Чернавина, 1970; lo h/A t, 1954, 1962, 1963; С &,1955; КшеЄо, 1965; ёШсц, 1966; Т1и Шл,1Э77&, 19776; Ha/i anxxMafi d).
При ежегодном применении азотных удобрений совместно с фосфорными и калийными значительно повышается роль микроэлементов, которые часто становятся лимитирующим фактором в получении высоких и устойчивых урожаев чайного листа хорошего качества.
Поглощение элементов растениями является сложным биологическим процессом и зависит от множества факторов: возраста растений, обеспеченности водой, температуры, антагонизма и синергизма ионов. Изменение содержания в почве одного элемента меняет поступление в растение других; в связи с этим особую роль играет сбалансированное применение минеральных удобрений.
Большой интерес представляет изучение влияния минеральных удобрений на содержание микроэлементов как в нежных 3-х лист-ных флешах, так и в старых листьях, ветвях и подстилке чайного куста (С.Т.Бурчуладзе, 1975; И.Т.Бурчуладзе, 1976). Состав и свойства почвы влияют на содержание элементов в растениях чая, а характер распределения железа, марганца, меди, цинка по органам растений определяется только биологическими особенностями растений и не зависит от их местопроизрастания (табл.30,31).
Содержание марганца в листьях чайного растения на контроле колеблется от 850 до 2000 мг/кг сухого вещества, что в 2 раза выше содержания этого элемента во флешах (400-510 мг/кг) (табл.31).
Содержание железа во флешах колеблется от 60 до 85 мг/кг, что в 2 раза ниже по сравнению с листьями.
В целом, можно отметить, что в растении чая накопление некоторых питательных элементов (марганца и железа), в основном, происходит в старых листьях, где они концентрируются в хлоропластах и участвуют в фотосинтезе (Школьник, 1950; Бласюк, 1969), а во флешах идет накопление цинка и меди, т.к. растущие молодые части растений очень в них нуждаются (Каталымов,1956).
Ветви чайного растения содержат в 3-5 раз меньше железа, в 3-12 раз - марганца, в 2-3 раза - меди и в 2-5 раз - цинка (табл.31). Данные по содержанию железа, марганца, меди, цинка в чайном растении согласуются с данными В.Д.Симонова (1971), Л.А.Барабадзе (1984),7 7 , (1977а, 19776). Большее содержание микроэлементов в чайных растениях, произрастающих в Ана-сеули, чем в Чакве, можно объяснить большей подвижностью этих элементов в почве.
Применение минеральных удобрений влияет на поступление железа, марганца, меди, цинка в органы чайного растения. Из таблиц 30, 31 видно, что значительно больше марганца поглощается чайным растением (флешами) при внесении азотного удобрения в количестве 300 кг/га по сравнению с вариантом без удобрения и вариантом РК +NJOO ак У 6 отмечалось, это обстоятельство объясняется подкислением почв, мобилизацией марганца и переходом его в подвижное состояние (Каталымов, 1965) (табл.30, 31).
