Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 11
1.1. Модели плодородия почв 11
1.2. Влияние на модели плодородия почв экологических особенностей культуры яблони 22
1.3. Периодичность плодоношения яблони, как фактор корректировки моделей плодородия почв 28
1.4. Трансформация, миграция и аккумуляция вещества, энергии и информации в системе почва-растение, как фактор плодородия почв 37
1.5. Создание окультуренных почв, как резерва обеспечения населения продовольствием на случай возникновения экстремальных погодных условий и при увеличении ценности более окультуренных почв 42
Глава 2. Объекты исследования 46
Глава 3. Методика исследования 52
Глава 4. Экспериментальная часть 55
4.1. Свойства исследуемых дерново-подзолистых и черноземных почв
разной степени гидроморфности под яблоневыми садами 55
4.1.1. Состояние и соотношение соединений Fe, Mn, Cu, Zn в почвах, как фактор, лимитирующий развитие яблони 55
4.1.2. Изменение свойств почв при избыточном увлажнении, как фактор, лимитирующий развитие яблони 70
4.1.3. Фракционный состав фосфатов в исследуемых почвах и его роль в обеспечении яблони биофильными элементами 81
4.1.4. Содержание комплексных положительно и отрицательно заряженных соединений в исследуемых почвах, как индикатор плодородия
4.1.5. Влияние поливалентных металлов на развитие яблони 101
4.1.6. Кинетика вытеснения ионов из почв и возобновляющая способность почв, как факторы плодородия 113
4.1.7. Микробиологическая активность исследуемых почв, как фактор плодородия 119
4.2. Состояние системы почва-растение как фактор, определяющий продуктивность сельскохозяйственных угодий 125
4.2.1. Сорбционные свойства корневых систем яблони, как фактор корректировки моделей плодородия почв и систем применения удобрений 125
4.2.2. Варьирование свойств почв и экологических требований яблони во времени и в пространстве 135
4.2.3. Потери биофильных элементов в воздушную среду с испарением из почв и с транспирацией из растений, как факторы корректировки баланса элементов питания в почве 143
4.2.4. Градиент физических полей в системе почва-растение, как фактор плодородия 154
4.2.5. Обеспеченность яблони элементами питания и интенсивность почвообразовательных процессов 169
4.3. Пути оптимизации развития яблони на исследуемых почвах 188
4.3.1. Корректировка моделей плодородия почв с учетом экологических особенностей сортов яблони, погодных условий и уровня интенсификации производства 188
4.3.2. Электрофоретическая подкормка растений биофильными элементами 216
4.3.3. Влияние водных вытяжек из сорных растений и гуматов для повышения устойчивости растений к стрессовым ситуациям 223
Заключение 245
Выводы 273
Список использованной литературы 278
- Периодичность плодоношения яблони, как фактор корректировки моделей плодородия почв
- Создание окультуренных почв, как резерва обеспечения населения продовольствием на случай возникновения экстремальных погодных условий и при увеличении ценности более окультуренных почв
- Изменение свойств почв при избыточном увлажнении, как фактор, лимитирующий развитие яблони
- Обеспеченность яблони элементами питания и интенсивность почвообразовательных процессов
Периодичность плодоношения яблони, как фактор корректировки моделей плодородия почв
Основная масса корней плодовых размещается в слое почвы до глубины 80-100 см, а на средне- и сильнорослых подвоях – до глубины 200 см и более. Как указывает Неговелов С.Ф. (1985), минимальная мощность мелко-зёмистого слоя почв, обеспечивающая хорошее плодоношение садов при орошении, равна 1 м, при недостатке воды – 2,5 м. Основная масса всасывающих корней встречается на глубине 20-40 см (Наумов В.Д., 2012). В то же время, глубина распространения корней вниз по почвенному профилю зависит от совокупности свойств почв и гидротермического режима территории
Яблони предъявляют определенные требования к водно-физическим свойствам почв. По данным Трунова Ю.В. (2010), предельно допустимые значения плотности почв для яблони – 1,6-1,65 г/см3, оптимальные – 1,37-1,45 г/см3. Слабая скелетность корнеобитаемой толщи оказывает благоприятное влияние на рост и развитие яблони. Предельные показатели содержания скелета в слое 0-50 см составляют 20-30%, в слое 50-100 см – 50%, в слое 100-150 см – 60-70% от объема почв (Опанасенко, 1977; Савич В.И., 2005).
Гумусовое состояние почв
Содержание гумуса в почвах обеспечивает емкость поглощения почв (у песка она 5 мг-экв/100 г, у глины – 40, у гуминовых кислот – 500, у фульво-кислот – 800), содержание в почвах азота, структурное состояние, плотность почв, влагоемкость, комплексообразазующую способность. Однако эти показатели отличаются для отдельных фракций гумуса, для гумуса и плохо разложившихся органических остатков, изменяются при возрастании процента инертного гумуса и зависят от отношения С/N. При широком отношении С/N 20 - микроорганизмы используют азот почвы, и наблюдается его дефицит (часто это возникает при внесении в почву опилок и соломы с С/N = 200). Минимальное отношение С/N в почвах составляет 5-6 (Гришина Л.А., 1986; Орлов Д.С., 1985, 1988; Илашку Л.К., 1987). Несмотря на указанные особенности гумусового состояния почв, ряд авторов оценивает при характеристике садопригодности почв содержание С%, запасы гумуса в метровом слое. В промышленных садах разрабатываются приемы по гумусонакоплению за счет внесения больших доз органических удобрений и залужения. При этом для разных почвенно-климатических зон экономически выгодно и определенное содержание гумуса в почве (чаще 2%) и определенная мощность гумусового слоя (при содержании его в горизонтах 1%). рН, как фактор пригодности почв под культуру яблони
По литературным данным, яблоня достаточно хорошо переносит кислые почвы, но плохо реагирует на сильнощелочную реакцию (рН 8,5) даже на глубине 100 см (Неговелов С.Ф., 1958). При этом, очевидно, важна и форма щелочности, а также количество ионов ОН- в мг-экв/л почвенных растворов. Так, по данным Наумова В.Д. (2012), в Запорожье яблони хорошо развивались при рН = 8,5-9,0. При этом чем более благоприятные свойства почв, тем более щелочную реакцию среды выдерживают посадки яблони. Оптимальные значения рН под яблоню 5,6-7,5 (Трунов Ю.В., 2010). Крайне негативна высокая щелочность почв при рН 8,6. При рН 5,5 необходимо умеренное известкование почв (Иванов А.М., 2008).
Карбонатность
Карбонатность почв является одним из важных факторов, лимитирующих развитие яблони. Это обусловлено большой плотностью карбонатных горизонтов, осаждением поливалентных металлов в виде труднорастворимых осадков карбонатов, уменьшением микробиологической активности почв, уменьшением степени гумусированности почв и мощности гумусового слоя (Иванов В.Ф., 1972, 1986). Автор указывает на возможность использования под сады почв с содержанием СаСО3 30%. При этом мощность гумусового слоя должна быть не менее 70 см, при содержании гумуса более 2%. Островская Л.К. (1973) указывает предел допустимого содержания карбонатов в корнеобитаемом слое 4-5%. Неговелов С.Ф. и Рамков В.Ф. (1985) указывают предел в 5-15% СаСО3.
В то же время, Молчанов С.Ф. (1971) отмечает, что на делювии горных пород при мощности гумусового слоя 60-80 см под яблоню можно использовать почвы с содержанием СаСО3 – 20-30%. При этом ряд авторов отмечает, что в одних почвах растения болеют при содержании карбонатов 1-5%. А на других почвах не болеют при содержании карбонатов 20%. Возможной причиной является наличие карбонатов в разных почвах в неодинаковых формах (Наумов В.Д., 2012). Так, Неговелов В.Ф. (1985) отмечает, что хлороз на карбонатных почвах отмечается только при их переувлажнении. Засоленность почв, как фактор пригодности почв под культуру яблони Засоленность почв лимитирует развитие сельскохозяйственных культур и в т.ч. развитие яблони. Токсичность солей зависит от их катионного и анионного состава, концентрации, сочетания свойств почв. Выделяются пороги токсичности для хлоридного, сульфатного, содового засоления. Для уточнения опасности засоления почв рассчитывают сумму токсичных солей (Панов Н.П., Мамонтов В.Г., 2001; Базилевич Н.И., 1958, 1968; Минашина Н.Г., 1978, 1986; Вальков В.Ф., 1986; Седых В.А., Савич В.И., 2012, 2013, 2014). Негативное влияние солей на растения отмечается при содержании водорастворимых солей более 0,25% от веса почв. В то же время, разные растения выдерживают засоление различными солями. Мирзоев Э. (1963, 1964), Неговелов С.Ф., Вальков В.Ф. (1958), Снитко Н.Ф. (1958) отмечают, что в одних случаях растения растут хорошо, где плотный остаток 1%, а в других случаях гибнут при засолении 0,0n%.
Создание окультуренных почв, как резерва обеспечения населения продовольствием на случай возникновения экстремальных погодных условий и при увеличении ценности более окультуренных почв
С нашей точки зрения, аналогично рациону, сбалансированному по энергии для людей и животных, целесообразна разработка энергетических балансов антропогенных воздействий на почвы и сбалансированных по энергии систем удобрений.
Информационная оценка плодородия также является составной частью характеристики почв. Она определяется математическими структурными взаимосвязями между свойствами почв, закономерным изменением свойств почв по профилю и в пространстве, памятью сорбционных мест, закономерной сменой реакций и процессов во времени. Информация записана в новообразованиях, на разных гранях и слоях структурных отдельностей, в минералогическом составе и т.д., в протекании почвообразовательных процессов. Например, оглеение почв, возникающее весной, приводит к увеличению содержания подвижных соединений железа и алюминия в почвах, которые не исчезают и летом после прекращения анаэробиозиса. Это в значительной степени влияет на фосфатный режим почв. Разные слои структурных отдель-ностей обладают неодинаковыми свойствами. Например, по полученным нами данным, внешние слои структурных отдельностей слабоокультуренной дерново-подзолистой почвы были обеднены К, Са, а в хорошо окультуренной – обогащены (Савич В.И., 2014).
Особенности моделей плодородия почв при их загрязнении
Изменение одних свойств почв приводит к изменению оптимума других. Так, например, при загрязнении почв тяжелыми металлами известкуют почву до рН 7,0. чтобы осадить Рb, Сd и т.д. в виде осадков гидроокисей и карбонатов, хотя такие значения рН неблагоприятны для ряда растений (Да-бахов М.В., 2012; Алексеев Ю.В., 1987; Агроэкология, 2000; Зонн С.В., 1982; Водяницкий Ю.А., 2004; Черных В.А., 2002; Зырин Н.Г., 1972; Реуце К., 1986; Воробьева Л.А., 1986, 1998).
Для устранения загрязнения часто принято внесение в почву депонирующих сред с высокой емкостью катионного обмена: цеолитов, бентонитов, а в песчаные почвы – глин и т.д. Внесение органических удобрений, запашка пожнивных остатков увеличивают сорбционную емкость почв, как по типу ионного обмена, так и по типу комплексообразования, молекулярную сорбцию. В ряде случаев внесение фосфоритной муки также приводит к осаждению тяжелых металлов в виде осадков фосфатов
Таким образом, при наличии загрязнения почв увеличивают сорбцион-ную емкость почв к токсикантам, увеличивают их прочность связи с твердой фазой почвы, вносят в почву элементы, конкурирующие с ионом-загрязнителем за поступление в корневую систему растений или уменьшающих дальнейшее передвижение токсикантов в стебли и листья. То есть, помимо различных способов удаления токсикантов из почв, мы считаем возможным выделить 3 вышеперечисленные направления интоксикации их в почве. При этом, естественно, изменяются не только свойства, но также процессы и режимы почв.
К сожалению, при дальнейшем с/х использовании почв их загрязнение будет все время возрастать. Это определяет актуальность разработки моделей плодородия для загрязненных почв. Однако, как и для всех почв, модели плодородия будут отличаться для почв разных типов, определенного гранулометрического и минералогического состава, для разных элементов рельефа, групп культур и т.д.
В то же время, для устранения негативного влияния поллютантов на почву, растения, водную и воздушную среды требуются и различные методы корректировки свойств почв. Они неодинаковы и для разных групп почв. Например, применение цеолита позволяет сорбировать тяжелые металлы из почв легкого гранулометрического состава и почв с преобладанием в минералогическом составе каолинита. Однако для тяжелых почв с преобладанием монтмориллонита такой прием часто не дает положительного результата.
При одинаковом содержании подвижных форм тяжелых металлов в среднесуглинистой дерново-подзолистой почве и в глинистом черноземе в твердой фазе последнего их значительно больше, они прочнее связаны и медленнее переходят из твердой фазы в раствор. Это определяет и особенности создания моделей плодородия на таких почвах.
Следует отметить, что при загрязнении почв в них усложняются взаимосвязи между свойствами, поэтому необходима и более углубленная оценка параметров плодородия и более точные прогнозы с использованием физико-химических расчетов.
Особенности моделей плодородия почв при избыточном содержании в них биофильных элементов
Избыточное содержание в почвах биофильных элементов также вредно, как и их недостаток. При этом устранить избыток значительно труднее, чем устранить недостаток. В настоящее время в ряде хозяйств отмечается избыток в почве нитратов, фосфатов, калия, отдельных микроэлементов. Это обусловлено, как внесением на поля отходов промышленности, так и высоких доз органических удобрений, несбалансированным применением удобрений. Так, при оптимуме содержания подвижных фосфатов для дерново-подзолистых почв Московской области 15-20 мг/100 г, обменного калия – 20 мг/100 г, содержание их подвижных форм вблизи птицефабрик достигает соответственно 250 и 50 мг/100 г (Седых В.А., 2013).
Изменение свойств почв при избыточном увлажнении, как фактор, лимитирующий развитие яблони
Как видно из представленных данных, содержание подвижного цинка зависело обратно пропорционально от содержания подвижных форм Р2О5. Однако для верхнего слоя почв это было выражено в большей степени.
В соответствии с рабочей гипотезой, недостатку цинка в растениях может способствовать не только избыток в почве подвижных фосфатов, но и избыток подвижной меди. Согласно проведенным расчетах, на лугово-черноземных почвах под больными розеточностью яблонями содержание подвижного Zn и отношение Zn/Cu не изменялось с глубиной, а под здоровыми – в верхнем горизонте было больше. Так, изменение отношения Cu/Zn (У) подвижных форм с глубиной в почвах под здоровыми яблонями описывалось уравнением: У = 0,59 – 0,0008Х; а под больными: У = 0,39 + 0,013Х.
Изменение свойств почв с глубиной вызывает и изменение распределения с глубиной корней яблони. Для здоровых и больных деревьев, развивающихся на черноземных почвах, % корней в горизонтах У зависел от глубины горизонта (Х) в соответствии со следующей зависимостью: У = 220,49 – 4,75Х, r = 0,73; F = 4,5; У = 110,66 – 1,07Х, r = 0,66; F = 12,4.
Таким образом, в почвах под больными растениями доля корней с глубиной почвенного профиля убывала менее значительно, чем под здоровыми растениями. Однако это отмечалось до глубины 75 см, а на глубине 125 см у больных растений корней почти не было.
С нашей точки зрения, недостаточное для развития и плодоношения яблони содержание цинка, меди, железа и марганца может быть обусловлено их низким валовым содержанием и недостаточным содержанием подвижных и усвояемых форм, неблагоприятным отношением катионов в растворе и в ППК и конкуренцией за поступление этих катионов в корни, наличием окис-68 лительных, сульфидных, фосфатных, карбонатных, щелочных геохимических барьеров в почвенном профиле и в корневой системе растений.
В то же время, доступность этих элементов растениям зависит от степени оптимальности всех свойств почв и погодных условий, от протекания процессов конкурирующего комплексообразования этих катионов и лиган-дов, связанных с ними в комплексы с продуктами процессов метаболизма растений. При поступлении нескольких катионов в растения проявляются также эффекты синергизма и антагонизма.
В связи с разной устойчивостью комплексов Cu, Zn, Mn, Fe с водорастворимым органическим веществом почв, влияние степени гумусированно-сти, внесения органических удобрений и анаэробиозиса на их поступление в растения неодинаково для отдельных рассматриваемых микроэлементов. Развитие в почвах анаэробиозиса также неодинаково влияет на подвижность Fе, Mn, Cu, Zn, что определяет и изменение селективности к ним корневых систем (Badraouri M., 1989; Brucker U., 1990; Bugerin Montoya, 2007; James D.V., 1975; Jardine P.M., 1984). Выводы 1. Состояние яблони на дерново-подзолистых почвах и черноземах разной степени гидроморфности обусловлено недостатком, избытком, несбалансированным соотношением железа, марганца, цинка, меди. 2. При избыточном увлажнении дерново-подзолистых почв при развитии оглеения увеличивается количество подвижных Fe, Mn, доля их отрицательно заряженных соединений, увеличивается соотношение Fе:Mn, Fe:Zn, Fe:Cu, Zn:Cu. 3. На черноземах состояние яблони определялось соотношением в почве SiO2:R2O3, т.е. степенью ацидоидности и базоидности почв. Заболевание яблони розеточностью коррелировало с более высоким содержанием в почве СаО и К2О, меньшим содержанием А12О3 и Fe2O3. 4. Установлено, что развитие заболеваний яблони розеточностью коррелирует с показателями фракционного состава цинка и меди и, прежде всего, с содержанием органических форм цинка и соотношением органических форм Zn/Cu. В почвах под здоровыми яблонями это соотношением составляет 2,0, под больными – 0,8. 5. В черноземах недостаток подвижного цинка при развитии розеточ-ности обусловлен избыточным содержанием подвижного фосфора и меди. 6. С нашей точки зрения, недостаток в растениях поливалентных металлов (микроэлементов) наблюдается не только в связи с их недостатком в почвах, но также по следующим причинам: 1) связыванием их в осадки с анионами, поступающими в растения (Zn и Н2РО4-); 2) конкуренцией в процессах метаболизма с другими катионами: медью и цинком, железом и марганцем и т.д.; 3) конкуренцией при поступлении в корни с другими катионами Н, Са, Mg, Cu, Zn, Fe, Mn и т.д.; 4) конкурирующим комплексообразованием органических веществ, поступающих в растения с лигандами процессов метаболизма; 5) влиянием на поступление в растения поливалентных катионов экстремальных значений влажности, температуры, ОВП, рН или отложенных последствий этих влияний.
Обеспеченность яблони элементами питания и интенсивность почвообразовательных процессов
Аналогичные зависимости и для учета в обеспечении яблони элементами питания с учетом кинетики и возобновляющей способности процессов.
В то же время, содержание в почвах подвижных форм элементов питания меняется в сезонной динамике, при изменении влажности, температуры, в зависимости от микробиологической активности и образующихся продуктов разложения растительных остатков.
Описание тренда возможно разными математическими формулами. однако для конкретных почв и условий такие зависимости отличаются. В сезонной динамике (а у яблони и в зависимости от возраста) изменяются как потребности растений в биофильных элементах, так и необходимая скорость их потребления и допустимая прочность связи элементов питания с твердой фазой почвы (Jalali M., 2006; Keay J., 1961; Martin H.W., 1983; Meurer E.J., 2001; Miller D.M., 1986).
Очевидно, что для получения хороших урожаев тренд изменения свойств почв и тренд потребности растений в сезонной динамике должны совпадать. Однако определение всех этих показателей является очень сложным, и, с практической точки зрения, более перспективна оценка изменения подвижности ионов в почве от влажности, температуры, рН, Еh, концентрации десорбента при описании такой зависимости уравнением Фрейдлиха (Савич В.И., 1984): Х = КС1/п или lgX = lgK + 1/n lgC, где С – независимая переменная. Величина 1/n определяется тангенсом угла наклона экспериментальной кривой в координатах lgX = lgC. Эта величина также может быть учтена в расчетах величины У, как ki1/пi при k1 = 1. У = kiФiп, где Фi - рассматриваемые независимые переменные при k1 = 1. Выводы 1. Состояние ионов в почве, помимо существующих параметров, дополнительно характеризуется кинетикой вытеснения ионов из твердой фазы 118 почв и депонирующей способностью почв (суммарным количеством ионов, вытесненных из почв последовательными вытяжками применяемого десор-бента). 2. Скорость вытеснения ионов из почв в значительной степени зависит от доли в почвах минералов типа 2:1 и 2:2 с хорошо выраженным интрами-целлярным типом поглощения. В изученных почвах она была больше выражена для черноземов по сравнению с дерново-подзолистыми почвами. 3. Содержание ионов в почвенных растворах и в растворах десорбентов определяется эффективными произведениями растворимости имеющихся осадков, эффективными константами ионного обмена и константами нестойкости имеющихся в почве комплексов, но не коррелирует полностью с содержанием подвижных форм соединений ионов в твердой фазе почв. Как правило, эта величина выше для черноземов и глинистых почв по сравнению с подзолистыми и песчаными. 4. Предлагается учитывать данные параметры при оценке обеспеченно сти яблони элементами питания. У = kiФiп, где Фi – рассматриваемые независимые переменные при k1 = 1. Микробиологическая активность почв в значительной степени определяет плодородие почв под яблоневыми садами и урожай яблок.
Развитие определенных групп микроорганизмов обусловливает накопление в почвах углекислого газа, сероводорода, метана, ацетилена, угнетающих развитие яблони. Это наблюдается при оглеении, в анаэробных условиях (Савич В.И., Кауричев И.С., 1999; Рындин С.Д., 1964; Андреюк А.П., 1988; Аристовская Т.В., 1988; Звягинцев Д.Г., 1987; Миненко А.К., 1991; Марфе-нина О.Е., 2005; Samuel A.D., 2008). В то же время, состав микрофлоры и его смена во времени определяет разложение и трансформацию органических остатков, и, в свою очередь, состав органических остатков и свойства почв определяют состав микроорганизмов в почвах.
Загрязнение почв тяжелыми металлами приводит к угнетению микрофлоры почв и часто к увеличению доли грибной микрофлоры (Звягинцев Д.Г., 1987). Внесение удобрений в оптимальных дозах и соотношениях стимулирует развитие микроорганизмов, но при несбалансированных дозах угнетает (Емцев В.Т., 2004; Мишустин Е.Н., 1947, 1974, 79; Миненко А.К., 1991; Марфенина О.Е., 2005; Аристовская Т.В., 1988; Зырин Н.Г., 1972).
В проведенных исследованиях, совместно с доктором биологических наук Норовсурэн Ж.., оценивалась микробиологическая активность дерново-подзолистых почв Мичуринского сада. Совместно с доктором биологических наук Наумовым В.Д. оценено изменение микробиологической активности почв в ризосфере яблони на черноземных почвах.
Для наиболее полного выделения актиномицетов из почвы использовали оригинальный метод посева из разведений на агаризованные среды и сроки инкубирования 10-14 суток при температуре 280С. Для выделения акти-номицетов в чистую культуру и дальнейшего культивирования использовали овсяный агар (Waksman, 1961) и среды Гаузе (Гаузе с соавторами, 1983; Но-ровсурэн Ж., 2009). Проводили дифференцированный подсчет количества колониеобразующих единиц (КОЕ) актиномицетов. Общее число актиноми-цетов и бактерий учитывали на среде казеин – глицериновый агар (Зенова, 2000), а идентификацию видов рода Streptomyces проводили, согласно определителю Гаузе с соавторами (Гаузе и др., 1983).
В изученных дерново-подзолистых почвах общая численность актино-мицетов колеблется от сотен до десятков тысяч КОЕ/г почвы, а бактерий колеблется от тысяч до десятков тысяч КОЕ/г почвы.