Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор литературы 9
1.1 Степень изученности темы 9
1.2. Калий 14
1.2.1 Содержание калия в почвах и почвообразующих породах 14
1.2.2 Физиологическая роль калия 17
1.3. Кальций 19
1.3.1 Содержание кальция в почвах и почвообразующих породах 19
1.3.2 Физиологическая роль кальция 21
1.4 Марганец 24
1.4.1 Содержание марганца в почвах и почвообразующих породах 24
1.4.2 Физиологическая роль марганца 26
1.5 Фтор 29
1.5.1 Содержание фтора в почвах и почвообразующих породах 29
1.5.2 Физиологическая роль фтора 31
ГЛАВА 2 Объекты и методы исследований 3 4
2.1 Характеристика почв опытных участков 34
2.2 Методы исследований 36
2.3 Метеорологические условия в годы проведения опытов 42
Глава 3 Содержание макро- и микроэлементов в почвах и растениях 47
3.1 Содержание валовых и подвижных форм элементов в почвах 50
3.1.1 Содержание калия 50
3.1.2 Содержание кальция 54
3.1.3 Содержание марганца 56
3.1.4 Содержание фтора 58
3.2 Содержание элементов в растениях 59
ГЛАВА 4 Круговорот макро- и микроэлементов в агрофитоценозах 67
4.1 Круговорот калия в основных агрофитоценозах 70
4.2 Круговорот кальция в основных агрофитоценозах 73
4.3 Круговорот марганца в основных агрофитоценозах 75
ГЛАВА 5 Влияние длительного применения удобрений на свойства почв агрофитоценозов 79
5.1. Влияние длительного применения удобрений на агрохимические свойства почв 80
5.2. Влияние длительного применения удобрений на содержание тяжелых металлов 88
Выводы 95
Список литературы
- Содержание калия в почвах и почвообразующих породах
- Метеорологические условия в годы проведения опытов
- Содержание марганца
- Влияние длительного применения удобрений на содержание тяжелых металлов
Введение к работе
Актуальность Интенсификация сельскохозяйственного производства в первую очередь зависит от интенсивности химизации земледелия, результатом которой является поступление в почву, как основных элементов питания растений, так и примесных компонентов. Вместе с тем сельскохозяйственное использование почв сопровождается выносом питательных элементов и, как следствие, их недостатком в выращиваемой продукции (Welch, Graham, 1999; Underwood, 2000).
Изменение баланса элементов питания растений, при длительном использовании почв, приводит к истощению естественного почвенного резерва в отношении важных для живых организмов элементов, особенно тех, которые не вносятся с традиционными удобрениями. Так специализация растениеводства юга Дальнего Востока России на выращивании сои в течение ста лет, которая в отдельные периоды занимала 30–40% пахотных почв, привела к дефициту Mo, S и частично B (Голов, 2004). В отношении таких физиологически значимых элементов как К и Са, данных, позволяющих установить уровень их оптимального содержания в системе «почва–растение», до настоящего времени недостаточно, и не позволяет прогнозировать степень истощения почв этими макроэлементами, даже на ближайшее будущее.
C минеральными удобрениями в почву попадает большое количество примесных элементов, среди которых наиболее часто встречаются F, Mn, Zn, Cr, Ni, Co (Овчаренко, 1997; Подколзин, 2009, Танделов, 2012). Избыток или недостаток таких элементов приводит к возникновению опасных эндемических заболеваний, зафиксированных во многих областях России (Ковальский, Ладан, Маврин, 1973, Танделов, 2012).
Дальневосточный регион обладает значительным потенциалом для развития сельскохозяйственной отрасли, имея большие площади земель пригодных для возделывания зерно-бобовых культур. В настоящее время только Амурская область обеспечивает более 50% общероссийского производства сои (Заяц, 2010). С 2014 г. в регионе начинает действовать Федеральная целевая программа, направленная на повышение продуктивности и устойчивости сельскохозяйственного производства (ФЦП «Развитие мелиорации земель...», 2013). Получение высококачественной сельскохозяйственной продукции не представляется возможным без изучения основных закономерностей круговорота
элементов питания и учёта специфики почвенно-климатических условий региона. В отношении исследуемых элементов имеющаяся информация малочисленна, фрагментарна, разрозненна и не даёт целостного представления о влиянии длительного внесения удобрений на поведение целой группы физиологически значимых элементов в агрофитоценозах.
В связи с этим, возникает необходимость изучения экологических последствий длительного использования минеральных и органических удобрений, позволяющая установить особенности круговорота элементов питания в зерно-бобовых агрофитоценозах, и оценить степень загрязнения почв элементами, способными оказывать токсическое воздействие на живые организмы.
Цель исследования. Изучить биологический круговорот элементов питания (K, Ca и Mn) в основных агрофитоценозах юга Дальнего Востока и особенности накопление элементов-загрязнителей (F, Zn, Сr, Co, Ni) в почвах при длительной химизации.
Задачи исследования:
1. Определить содержание валовых и подвижных форм K, Ca, Mn в почвах при различных приёмах химизации.
2. Установить особенности накопления элементов в различных органах растений сои и пшеницы в условиях длительного применении удобрений.
3. Изучить воздействие химизации почв на биологический круговорот K, Ca, Mn в соевых и пшеничных агрофитоценозах.
4. Установить влияние длительного применения удобрений на содержание элементов–загрязнителей (F, Zn, Cr, Co, Ni) в почвах.
Научная новизна работы. Впервые для почв юга Дальнего Востока установлено, что длительная химизация пахотных почв сопровождается увеличением количества валовых и подвижных форм F в почвах. Достоверно установлено истощение лугово-бурых почв подвижными формами K. За 54 года ведения опыта в пахотных почвах Приморского края содержание подвижных форм K сократилось в среднем на 30%. Длительное применение удобрений сопровождается увеличением концентрации Ca в растения. Впервые отмечено, что Ca является агрохимически слабоактивным элементом и накапливается в нетоварной продукции растений (корни, листья). Систематическое использование удобрений сопровождается увеличением содержания Zn, Cr и Ni, в лугово-бурых и в лугово-черноземовидных почвах.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. В зависимости от агрохимической активности элементов, выявлены следующие закономерности: K – агрохимически средне- и высокоактивен, что вызывает необходимость регулярного внесения калийных удобрений; Ca – слабо- и среднеактивен; Mn – слабоактивен.
2. Длительное применение удобрений сопровождается увеличением содержания F в почвах, и таких тяжелых металлов, как Zn, Ni, и Cr.
Практическая значимость работы. Полученные результаты позволяют оценить влияние длительной химизации почв на содержание K, Ca, Mn, F, Zn, Ni, Cr, Co в основных агрофитоценозах юга Дальнего Востока, что необходимо учитывать при использовании почв в сельском хозяйстве, исследовании их плодородия и экологического состояния. Установление агрохимической активности элементов позволит определить интенсивность и степень истощения почв и разработать оптимальные приёмы использования удобрений. Определение масштабов поступления примесных, токсичных элементов в почвы и растения при сельскохозяйственном производстве может быть использовано при учёте качества растениеводческой продукции.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены на XI и XII Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Интеллектуальный потенциал вузов на развитие Дальневосточного региона России и стран АТР», г.Владивосток, 2009, 2010; конференции-конкурсе молодых ученых БПИ ДВО РАН, г.Владивосток, 2009, 2010, 2011; 2012; Всероссийской научной конференции «Современные почвенные классификации и проблемы их региональной адаптации», г.Владивосток, 2010; I Дальневосточной междисциплинарной молодежной научной конференции «Современные методы научных исследований», г.Владивосток, 2011; Всероссийском форуме научной молодежи «ЭРЭЛ», г.Якутск, 2011; I Всероссийской научной конференции «Современные исследования в биологии», г.Владивосток, 2012; Российской конференция с международным участием «Регионы нового освоения: теоретические и практические вопросы изучения и сохранения биологического и ландшафтного разнообразия», Хабаровск, 2012; Межрегиональной научно-практической конференции с международным участием «Экологическое образование на современном этапе для устойчивого развития», Благовещенск, 2013; VIII Международной Биогеохимической школе
«Биогеохимия и биохимия микроэлементов в условиях техногенеза биосферы», Гродно, 2013.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них 3 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы, включающего 230 наименований (в том числе иностранных авторов – 17) и 13 приложений. Работа изложена на 134 страницах, иллюстрирована 10 рисунками и содержит 19 таблиц.
Личный вклад автора. Кандидатская диссертационная работа является обобщенным материалом, полученным автором в результате полевых и лабораторных исследований.
Благодарности. Автор искренне признателен своему научному руководителю д.б.н. В.И. Голову за научно-методическое руководство, консультативную, редакционную помощь и всестороннюю поддержку. Также благодарит за помощь в процессе работы, вед.инж. Э.А. Соснину, к.б.н. Я.О. Тимофееву, н.с. О.М. Голодную, к.б.н. Е.А. Жарикову, вед.инж. Н.А. Рыбачук.
Содержание калия в почвах и почвообразующих породах
Интенсивные исследования биологического круговорота химических веществ начали появляться в 60-х годах XX в., чему способствовали работы Л.Е. Родина, Н.И. Базилевич и Н.П. Ремезова, посвященные балансу элементов питания: P, K, Ca и Mg (Родин, Базилевич, 1965; Родин, Ремезов, Базилевич, 1968). Рядом исследователей были изучены особенности круговорота этих элементов в фитоценозах лугов, степей, болот, лесов и тундры (Винокуров, Тюрменко, 1958, Титлянова 1978; Базилевич, Семенюк, 1986; Тонконогов, Дорохова, 1968; Манаков, 1970).
Что касается агрофитоценозов, то впервые количественные характеристики параметров круговорота зольных элементов для зерновых культур, кормовых трав и картофеля были получены Ф.И. Левиным (Левин, 1969). Параллельно автор изучал изменение морфологических и физико-химических свойств антропогенных почв, занятых разными культурами. Левин пришел к выводу, что для подсчета доз удобрений необходимо учитывать общее количество элементов, вовлекаемых в круговорот в посеве, а не только вынос питательных элементов с урожаем, как это было принято после работ Ю. Либиха.
Весомый вклад в развитие учения о биологическом круговороте внес английский агрохимик Д.У. Кук. Он считал, что изучение баланса питательных элементов помогает в планировании производства удобрений, а также в поиске способов устранения их потерь из биологического круговорота. В своей работе, основываясь на собственных опытах и литературных данных, он приводит региональные балансы питательных элементов для многих культур и на разных почвах. Ученый рассматривает круговорот питательных элементов в отдельных регионах и в некоторых странах в тесной связи с практикой земледелия и применения удобрений (Кук, 1970). В.Б. Ильин настаивал на необходимости комплексного изучения круговорота элементов, участвующих в питании растений. По его мнению, в почвоведении недооценивалась биогенная аккумуляция и миграция этих элементов. В агрохимических же исследованиях им уделялось больше внимания. В почвоведении большее предпочтение отдавали изучению миграции тех элементов, по которым можно было диагностировать протекающие в почвах процессы – оподзоливания, оглеения, буроземообразования и др. (Si, Al, Fe). В то время как в агрохимии исследовали элементы участвующие в получении высоких урожаев (N, Р, К и др.) (Ильин, 1982).
Значительным этапом в изучении экологии агрогенных почв послужила работа французского ученого Ф. Рамада «Основы прикладной экологии», опубликованная в 1981 году, в которой автор большое внимание уделил проблемам загрязнения почв. В ней отмечалось, что интенсификация сельскохозяйственного производства нарушает баланс энергии и круговорота веществ в агроэкосистемах. Ученый прогнозировал, что к 2000 г. производство азотных удобрений в США вырастет в 10 раз. А так как, применяемые в избытке, они полностью не поглощаются выращиваемыми культурами, а вымываются в нижележащие горизонты, они могут попасть как в поверхностные, так и в грунтовые воды. Причем на тот момент высокая токсичность нитратов для людей и животных уже была установлена (Рамад, 1981).
Отличительной чертой агрофитоценозов является то, что круговорот элементов питания в них складывается под влиянием хозяйственной деятельности человека (обработка почвы, выращивание растений, внесение удобрений, мелиоративные мероприятия и т.д.). Основными факторами, определяющими этот круговорот, являются: привнос элементов питания с осадками и удобрениями (в том числе известковыми); вынос их с внутрипочвенными и поверхностным стоком, а также с биомассой возделываемых растений (Голов, 2004). Исследования круговорота питательных элементов в агроценозах позволяет раскрыть особенности миграции каждого изучаемого элемента в системе «почва-удобрение– растение». Баланс макро- и микроэлементов складывается из учета поступления элементов в составе удобрений, атмосферных осадков и отчуждения с урожаем, а также вымывания атмосферными и почвенными водами. Хозяйственный вынос элементов в составе получаемой растительной продукции – является основным и доминирующим фактором истощения почв биогенными элементами. Известно, что из агроэкосистем отчуждается от 30 до 90% фитомассы урожая, что приводит к нарушению малого биологического круговорота веществ (Берзин, Полосина, 2003, Ананьева, 2007).
В начале 60-х годов минувшего столетия профессор Ф. Бааде определил среднюю для всей планеты норму минеральных удобрений на 2000-й год. По его оценке, она составляла по 40 кг N, P и K на 1 га. Но с начала 90-х годов аграрный сектор России и других стран, входящих до 1991 года в состав СССР охватил кризис, который привел к резкому сокращению применения минеральных и органических удобрений. Если за 1986–1900 гг. в земледелии России в среднем потреблялось 13 млн.т. минеральных удобрений, то в 1996–1997 гг. их объемы не превысили 1,7 млн.т. (Черников, 2000).
По данным В.Г. Безрукова и Н.И. Дробязко с 1970 по 1980 гг. в Амурской области наблюдался бурный рост применения минеральных удобрений (Безруков, 2000). Так, в 1965–1970 гг. на полях этого региона было внесено 54,3 тыс.т. удобрений. В 1971–1975 гг. по 107,3 тыс.т., а в 1976–1980 гг. – 154,4 тыс.т. Таким образом, рост за 10 лет составил 280%. С началом 90-х годов в этой области, как и в целом по стране, резко снизилась химизация сельского хозяйства. Применение минеральных удобрений уменьшилось с 121,4 тыс.т. в 1991 г. до 10,4 тыс.т. в 1995 г., то есть в 11,8 раза. После 1995 г. вообще прекратилось известкование и фосфоритование кислых почв.
Метеорологические условия в годы проведения опытов
Для изучения биологического круговорота K, Ca и Mn были исследованы 2 культуры, наиболее популярные в Дальневосточном регионе. Соя, которая среди возделываемых культур занимает доминирующее положение, и является типичным представителем бобовых; а также пшеница – культура, близкая по характеру накопления и выносу питательных элементов к большинству злаковых, таких как рожь, овес, ячмень и другим. В Приморском крае в длительных опытах высевали сорт сои «Приморская 39», пшеницу – «Приморская 81»; в Амурской области сорт сои «Лидия» и пшеницу сорта «Арюна».
Исследуемые образцы почв и растений отбирались с трех вариантов опытов: 1. Контроль (без удобрений), 2. Минеральные удобрения (МУ), 3. Органо-минеральные удобрения (ОМУ), где вносились органические (навоз) и минеральные удобрения одновременно.
В опыте, заложенном на стационаре ПримНИИСХ, в третьем варианте вместе с органо-минеральными удобрениями вносилась известь. В опыте, проводимом в Амурской области, калийные удобрения и известь не использовалась, поскольку считается, что на луговых черноземовидных почвах они неэффективны.
Виды и дозы удобрений, используемые на агрохимических стационарах, представлены в таблице 2. Азотные удобрения включают два типа: аммиачную селитру, используемую с момента закладки опыта и до середины 1970-х годов, и мочевину, сменившей селитру в виду меньших экономических затрат при производстве и использовании.
Опыт в Приморском крае был заложен в 1941 г. А.Т. Грицуном, и к моменту наших исследований удобрения применялись в течение 71 года. За это время (8 полных ротаций 9-польного севооборота) в интересующих нас вариантах опыта было внесено: навоза 320 т/га, извести 41,6 т/га и минеральных удобрений N2400, Р2320, К1200 (из расчета на действующее начало, далее д.н.) (Грицун, Васичева, 1971). Опыт с длительным применением органических и минеральных удобрений в Амурской области, был заложен в 1962 г. В.Т. Куркаевым. За 50 лет (10 ротаций 5 польного севооборота) в соответствующих вариантах было внесено 240 т/га навоза, и минеральных удобрений (по д.н.) N1150Р1650 (Ковшик, Наумченко, 2011; Куркаев, Степкина, Кузин 1973). Опыты закладывались в 3-х кратной повторности, площадь делянки 150 м2.
Лугово-бурая Навоз 40 т/га + Известь 5,2 т/га +N300P290K150 д.н./га Аммиачная селитрагранулированная (NH4NO3),мочевина гранулированная((NH2)2CO), суперфосфатдвойной гранулированный(Са (Н2РО4)2Н2О), хлористыйкалий (KCl), известь (CaCO3)
Лугово-черноземовидная Навоз 24 т/га +N150P165 д.н./га Отбор почвенных и растительных образцов проводился по рекомендациям А.В.Соколова и З.И. Журбицкого (Соколов, 1960; Журбицкий, 1968). Образцы почвенных проб готовили к анализу согласно ГОСТ 17.4.3.01 – 83 (ГОСТ 17.4.3.01-83, 2004).
Для фракционного учета урожая перед уборкой отбирались пробные снопы (по 2 с каждой делянки, с площади 1 м2) со всех 3-х повторностей. Таким образом, общая повторность образцов всех фракций была шестикратной. не учитывались в подобных опытах. Но в листьях, как и во всех других органах, содержится определенное количество химических элементов. Попадая на земную поверхность, они начинают разлагаться под действием естественных природных факторов. Это не позволяет достоверно учитывать баланс питательных элементов. Поэтому во время цветения на полях с соей были установлены опадоуловители площадью 1 м2 из марли по 2 на каждую делянку, из которых периодически (раз в 10–15 дней) до полного опадения выбирали листья, а также опавшие цветки и завязи в индивидуальные емкости. Выделение средней пробы растительного образца соответствовало ГОСТ 27262-87 (ГОСТ 27262-87, 2002). Каждый из образцов тщательно измельчили с помощью мельницы.
Валовые формы изучаемых элементов в почве определяли рентгенофлуоресцентным методом на анализаторе EDX-800 (Shimadzu, Япония). Главным преимуществом рентгенфлюоресцентного метода является возможность анализа твердофазных проб, что позволяет избежать трудоемкой процедуры переведения их в раствор, а также предоставляет возможность одновременного определения нескольких элементов (Теория и практика химического анализа почв, 2006).
Подвижные формы химических элементов, представляющие наиболее важную с точки зрения питания растений группу, извлекают из почвы различными растворителями, действие которых сопоставимо с действием природных вод и растений – это разбавленные растворы кислот, солей и оснований (Орлов, Малинина, Мотузова и др., 1991). Подвижные формы Mn извлекали из почвы экстрагентом – 0,1 н. H2SO4 (подвижный по Пейве-Ринькису) (Куркаев, Шеуджен, 2000). Содержание элемента в вытяжке определяли атомно-абсорбционным методом. Данный метод отличается хорошей чувствительностью, и высокой точностью, позволяя определять необходимые элементы в широком диапазоне их концентраций. Подвижный Ca вытесняли 1,0 н. раствором CH3COONH4. Ацетат аммония как экстрагент удобен тем, что при взаимодействии с кислыми почвами (ненасыщенными основаниями), имеющими в коллоидном комплексе обменный водород, образуется слабая уксусная кислота, не оказывающая сильного разрушающего действия на почву. Поэтому полученная солевая вытяжка не содержит большого количества полуторных окислов и других мешающих определению примесей. В вытяжке Ca определяли комплексонометричекси (Аринушкина, 1970). Подвижные формы K извлекали методом Кирсанова, концентрацию элемента определяли на пламенном фотометре. Содержание микроэлементов (Mn, F, Cr, Co, Zn, Ni) определялось методом атомной абсорбции на приборе с предварительной их экстракцией в кислотной вытяжке. Для извлечения F использовалась стандартная водная вытяжка (ОСТ 46-52-76).
Из растительных образцов извлечение элементов проводилось методом сухого озоления (Практикум по агрохимии, 2001). Зольность определяли по формуле:
Для определения качественного состава золы, последнюю растворяли в солянокислом растворе. Кислотная вытяжка является групповой по отношению к рассматриваемым элементов, что позволило ускорить анализ. Из полученной вытяжки Ca определяли комплексонометрическим методом, K - пламенно-фотометрическим методом, микроэлементы - методом атомной абсорбции.
Для пересчета массовой доли исследуемых элементов в золе на исходный материал использовали следующую формулу:
Сi - массовая доля элемента в золе, мг/кг. Коэффициент биологического поглощения (КБП), отражающий потенциальную биохимическую подвижность элементов (Ильин, 1985), рассчитывали по формуле:
Коэффициент техногенной концентрации элемента (Кс), показывающий степень превышения содержания изучаемого элемента в почве относительно его фоновой концентрации (Гигиеническая оценка качества почвы…, 1999), определяли по формуле: где Кобщ. - содержание элемента в исследуемой почве, мг/кг; і фон - содержание элемента в фоновой почве, мг/кг. Суммарный коэффициент техногенного загрязнения (Zc), рассчитываемый при высоком содержании в почве двух и более техногенных элементов (Кс 1) (Гигиеническая оценка качества почвы…, 1999), определяли следующим образом: данных осуществляли стандартными методами дисперсионного анализа по Б.А. Доспехову (Доспехов, 1968) и А.В. Ваулину (Ваулин, 1998) с использованием Windows - приложения Excel и программы Statistica. Достоверность результатов оценивали, используя t - критерий Стьюдента при уровне вероятности (р) 0,05. 2.3 Метеорологические условия в годы проведения опытов
Климат Приморского края умеренный, континентальный. По характеру формирования осадков относится к муссонному. Летом преобладают южные ветры с Тихого океана, а зимой северные, способствующие формированию холодной и ясной погоды под влиянием континентального климата. Для Приморского края характерно влажное лето с обильными осадками и частыми туманами. Тропические циклоны, приходящие в край ежегодно, наносят значительный ущерб сельскому хозяйству (География Приморского края, 2000).
В первые месяцы вегетационного периода 2009 г. среднемесячные температуры были выше среднегодовой на 3,4–6,3C. При этом май выдался засушливым. Несколько прохладным и влажным был июль. Температура воздуха отмечалась ниже среднегодовой на 1,3C, а количество осадков превышало норму на 45% (рис. 1). К концу вегетационного периода сои выпали значительные осадки, которые мешали учету урожая этой культуры.
В начале вегетационного периода 2011 г. наблюдались перепады температур и обильные выпадения осадков. Особенно в мае, когда среднемесячная температура была ниже среднемноголетней на 1,2C, а количество осадков превышало норму на 50%. Однако, начиная со второй декады июня, воздух прогревался хорошо, режим увлажнения стабилизировался, что благоприятно сказалось на созревании бобов сои.
Содержание марганца
Очень важным аспектом в сохранении плодородия почвы является возвращение питательных веществ, отчуждаемых с поля в процессе выращивания сельскохозяйственных культур, обратно в почву. Ю. Либих сформулировал «Закон возврата питательных элементов», который основывается на балансе питательных элементов, и, как отмечал В.Д. Панников, пренебрежение этим законом может привести к утрате почвой ее плодородия (Панников, Минеев, 1987).
Изучение круговорота и баланса макро- и микроэлементов в агроэкосистемах является одной из основных проблем в познании их поведения в системе «почва–растение–человек». Наиболее важным источником поступления химических элементов в организм человека является растениеводческая продукция. Исследуемые нами зерновые культуры занимают примерно 60% в мировом производстве продуктов питания (Прокопенко, 2005). Питьевая вода покрывает лишь от 1 до 10% суточной потребности в таких микроэлементах, как I, Cu, Zn, Mn, Со, Mo, и только для некоторых элементов (F, Sr) вода служит главным источником (Покатилов, 1993).
Элементный состав системы «почва–растение» определяется концентрацией элементов в почвенном растворе и биологической потребностью конкретных растений. Известно, что для нормального роста и развития растений, т.е. для получения полноценного по качеству и количеству урожая, необходимые элементы питания должны присутствовать в почве в достаточном количестве и в доступной форме (Битюцкий, 2010). В естественных биоценозах полный цикл биологического круговорота состоит из: 1) поглощения элементов растениями; 2) поступления их, после отмирания растений, обратно в почву в том же количестве. В агрофитоценозах специфика круговорота обусловлена привносом элементов с удобрениями и выносом их с отчуждаемой биомассой культур при уборке урожая. Подсчитано, что ежегодно с полей отчуждается от 20 до 80 % всей биомассы, что, несомненно, сказывается на круговороте элементов в агрофитоценозах (Ковда, 1973).
Изучение содержания макро- и микроэлементов в почвах имеет важное агрохимическое и экологическое значение. Аномальное содержание элементов в почвах приводит к нарушению физиологических процессов в живых организмах, и, как следствие, может явиться причиной эндемических заболеваний. Ранее иледователями было установлено низкое содержание йода в почвах, растениях и континентальных водах Приморья, что провоцировало зобную болезнь в крае (Гуревич, 1962). Помимо природных аномалий могут возникать аномалии антропогенного характера с недостатком или избытком жизненно важных химических элементов. Например, дефицит того или иного элемента может возникнуть при интенсивном возделывании монокультуры, обладающей повышенным спросом на какой-то питательный элемент. Так специализация земледелия Приморья и Приамурья на выращивании сои привела к недостатку в почвах молибдена и частично серы (Голов, 2004). Избыточное и несбалансированное применение удобрений также приводит к нарушению круговорота элементов питания и поступлению их в растениеводческую продукцию. В настоящее время компенсация с удобрениями практикуется только в отношении трех элементов (N, P и К). Поэтому вероятность обеднения другими элементами или избыточным внесением удобрений, содержащих традиционные элементы очень высока.
Для того чтобы иметь реальное представление о масштабах изменения содержания макро- и микроэлементов в системе «почва– растение» при систематическом применении удобрений, в данной главе приведены результаты исследований по содержанию малоизученных, или совсем не изученных питательных элементов в почвах и растениях, исследуемых агрофитозенозов. Известно, что обеспеченность сельскохозяйственных растений элементами питания зависит от химического состава почвы, на которой они произрастают. Сопоставление данных, полученных с вариантов опытов, отличающихся по объемам и видам и срокам использования удобрений, позволяет нам оценить, происходит ли обеднение почв изучаемыми элементами без внесения таковых в качестве удобрений, и не происходит ли избыточного накопления данных элементов в случае их длительного применения.
Исследования проводились, как уже было сказано, на двух агрохимических стационарах, с разным уровнем плодородия. Лугово-черноземовидные почвы Амурской области по своим агрохимическим свойствам и уровню плодородия близки к типичным черноземам, богатым органическим веществом и питательными элементами. Лугово-бурые почвы Приморья по упомянутым параметрам напоминают бедные дерново-подзолистые почвы, широко распространенные в северо-западной части России (зона Нечерноземья). На черноземах, как известно, применение минеральных удобрений не всегда рентабельно из-за высокого потенциального плодородия этих почв. Но вследствие длительной эксплуатации они в настоящее время существенно деградировали. Степень деградации удобнее всего изучать на тех элементах, которые не вносятся с традиционными удобрениями. В нашем случае это Са и Мn. Четверть века назад Ca вносили регулярно во все пахотные почвы России с известью. Но после «перестройки» известковать почвы прекратили, поэтому за столь длительный промежуток времени возможно появление признаков дефицита Ca в пахотных почв. Марганец иногда вносят с органическими удобрениями и некоторыми формами минеральных удобрений и мелиорантов (фосфориты, доломиты, известь), которые в настоящее время утрачивают свою популярность и практически не применяются.
Валовое содержание калия в почвах может достигать от 1 до 4%. Кларк этого элемента для земной коры составляет 2,5%, что соответствует 5 месту по распространенности среди зольных элементов (Виноградов, 1962). При таком высоком содержании K в почвах (от 30 до 100 т/га при выносе 30–100 кг/га), его запасов должно хватить на тысячи лет для выращиваемых растений. Однако зачастую растения испытывают нехватку доступных форм K, поэтому его необходимо вносить с удобрениями.
Как показали наши исследования, лугово-черноземовидные почвы богаче K, и его концентрация в них выше, чем в лугово-бурых, как на контрольном варианте, так и на вариантах с внесением удобрений (приложение 1). В таблице 3 представлено среднее содержание валовых форм исследуемых элементов.
Влияние длительного применения удобрений на содержание тяжелых металлов
В настоящее время общая распространенность обрабатываемых земель в Китае смещается в северо-восточном и северо-западном направлениях, и в этом же направлении снижается экологическое качество почв и возделываемых сельскохозяйственных культур (Zhang, Dong, Wang, Liu, Yao, 2001). В последние годы, по инициативе отдельных ученых и государственных групп по контролю за качеством продукции, было обнаружено, что овощи, поставляемые из Китая, чаще всего попадают в «группу риска» из-за высокого содержания нитратов, превышающее ПДК в 5 и более раз (Стокоз,2013).
В ходе совместной работы китайских и российских исследователей, при изучении недавно освоенных почв Синьцзян-Уйгурского автономного района (Таримская впадина), которые находились в эксплуатации в среднем около 10–15 лет, было обнаружено, что содержание гумуса в них сократилось почти наполовину (Илахун, Пинань, Зяаньдон, и др., 2010). Китайские земледельцы были вынуждены вывести 15% в основном орошаемых почв из оборота, из-за нарастающих явлений дегумификации, засоления и опустынивания. Эти почвы находились в ведении колхозов, где, как правило, вносят высокие дозы минеральных удобрений.
В последние годы китайские земледельцы переносят принципы интенсивной химизации на почвы Дальневосточного региона, которые все в больших объемах арендуют в Приморье и Приамурье. Причем им выделяют не бросовые земли, а лучшие плодородные почвы вдоль магистральных рек Раздольной, Арсеньевки, Амура и других, о чем весьма обстоятельно и аргументировано изложено в докторской диссертации С.С. Ганзея (2005) и в статьях В.И. Росликовой (2012, 2013).
В период интенсивного использования минеральных удобрений в мировом сельском хозяйстве считалось, что они способствуют увеличению гумусированности почв. Но данные, полученные на основе обобщения результатов более 400 длительных полевых опытов, свидетельствовали о том, что содержание гумуса в дерново-подзолистых почвах при внесении полного минерального удобрения за 30-ти летний срок снижалось в среднем на 12–14% (Поляков, Шевцова, 1988). По мнению ведущих почвоведов нашей страны, за последние 100 лет запасы органического вещества в черноземах и черноземовидных почвах России уменьшились в два раза (Ковда, 1985; Ковда, Пачепский, 1989).
В длительных агрохимических опытах, заложенных в Дальневосточном регионе, также отмечено снижение содержания гумуса и других агрохимических показателей почв с момента закладки опытов (рис. 8, 9). За последние 40 лет темпы снижения количества гумуса в Приморском крае составили 21–23%. Использование органо-минеральных удобрений практически не повлияло на процесс дегумификации (Ковшик, Наумченко, 2011; Хавкина, 2004). В Амурской области количество гумуса также снизилось, причем максимальное уменьшение на 27% отмечено на варианте с использованием минеральных удобрений. Плодородие почвы, интенсивность микробиологических и физико-химических процессов, растворение труднорастворимых соединений во многом зависят от кислотности среды. Для большинства культур оптимальное значение рН составляет 6,0–6,5, и увеличение кислотности может негативно отразиться на развитии растений. Применение таких широко распространенных видов удобрений, как хлористый аммоний, аммиачная селитра, хлористый калий и других, способствует подкислению почвенного раствора. Если при разовом использовании удобрений в небольших дозах существенного изменения рН не наблюдается, то при длительном, происходит сильное подкисление почв (Безуглов, Синиговец, Кузьмич, и др., 2011).
Длительные наблюдения за динамикой кислотности почвенного раствора при систематическом применении удобрений показали, что кислотность лугово-черноземовидных почв Амурской области с 1968 г. к настоящему времени увеличилась на 12–14% под влиянием физиологически кислых азотных удобрений. Повышению кислотности в значительной мере способствовало также прекращение известкования исследуемых почв с середины 90-х годов (рис. 9). В почвах Приморья кислотность снижалась только в варианте с внесением извести. Изменение величины кислотности почв воспринимается иначе, если обратить внимание на то, что шкала рН логарифмическая. Так, при снижении значения рН с 6 до 5 кислотность среды увеличивается в 10 раз (Безуглов, Синиговец, Кузьмич, и др., 2011).
Таким образом, роль минеральных и органических удобрений в агрофитоценозах неоднозначна. Удобрения являются источником элементов питания, но при этом способствуют изменению основных агрохимических свойств почв. В почвах исследуемых агрофитоценозах систематическое внесение удобрений сопровождается увеличением кислотности, снижением количества гумуса и суммы поглощенных оснований.
Мука известняковая 39-51 50-72 121-162 0,1 2 63-102 2-4 0,1 - - Навоз 15,6 96,2 201,1 0,5 1,9 12 19,8 1,04 - - Больше всего примесей, как правило, содержат фосфорные удобрения. В их составе присутствуют такие элементы, как Cd, Cr, Cu, Pb, Ni, V, Zn, содержание которых в разных видах удобрений существенно варьирует (Голов, 2004). Органические удобрения, характеризуются низкими концентрациями тяжелых металлов. Но при этом стоит учитывать тот факт, что применяются они гораздо более высокими дозами, чем минеральные, особенно в зоне влияния предприятий индустриального птицеводства и животноводства. Так, в навозе может содержаться до 40 мг кадмия и до 15 мг свинца на 1 кг воздушно-сухого вещества (Минеев, 1994; Безуглов, Синиговец, Кузьмич, и др., 2011).
В настоящее время общая площадь земель загрязненных различными токсикантами в России превышает 74,3 млн. га. Особую опасность представляют почвы, загрязненные тяжелыми металлами, утратившие способность к самоочищению (Бокова, Ратников, 1995). Эколого-токсикологическая оценка почв сельскохозяйственных угодий, проведенная агрохимической службой Минсельхоза России, выявила 1,4 млн. га почв загрязненных медью, 0,5 млн. га – никелем и свинцом, 0,3 млн. га – цинком и кобальтом, около 0,2 млн. га – кадмием (Овчаренко, 1997).
Согласно результатам наших исследований, длительное внесение органо-минеральных удобрений и извести существенно повлияло на концентрации ряда тяжелых металлов в исследуемых почвах (табл. 18). Особенно это касается лугово-бурых почв агрохимического стационара Прим НИИСХ, где отмечено превышение содержания Zn на 105%, Cr на 53% и Ni на 68%, относительно контрольного варианта. В лугово-черноземовидных почвах, концентрации этих элементов также увеличились на 65, 58 и 38% соответственно. Содержание Co, наоборот, снизилось на 36% в почвах Приморского края и на 44% в почвах Амурской области, по-видимому, за счет того, что этот элемент играет существенную роль в метаболизме азота и других жизненноважных процессах обмена веществ в растениях (Пейве, 1966; Школьник, 1974; Ягодин, 1970).
