Содержание к диссертации
Введение
1. Роль сельскохозяйственного использования чернозема в формировании физико-химических и агрохимических свойств . 8
1.1. Влияние сельскохозяйственного использования черноземов на физико-химические свойства. 8
1.1.1. Роль удобрений в формировании физико-химических свойств черноземов . 19
1.2. Особенности формирование азотного, фосфорного и калийного режимов при сельскохозяйственном использовании черноземов. 27
1.2.1. Азотный режим. 28
1.2.2. Фосфорный режим. 41
1.2.3. Калийный режим. 50
2. Объекты и методы исследования. 61
2.1. Методы исследования. 61
2.2. Объект исследований. 63
2.2.1. Гранулометрический состав. 64
2.2.2. Физико-химические свойства. 66
2.2.3. Агрохимические свойства. 68
3. Особенности формирования физико-химических свойств выщелоченного чернозема при длительном применении разных систем удобрения . 70
3.1. Реакция выщелоченного чернозема при применении систем удобрения. 70
3.2. Емкость катионного обмена и состав обменных катионов . 82
4. Особенности формирования азотного режима в выщелоченном черноземе при длительном применении разных систем удобрения . 107
4.1. Содержание и запасы азота. 107
4.2. Влияние разных систем удобрения на содержание подвижных соединений азота в выщелоченном черноземе . 116
5. Особенности формирования фосфорного режима выщелоченного чернозема при длительном применении различных систем удобрения . 128
5.1. Валовое содержание и запасы фосфора в выщелоченном черноземе при длительном применении удобрений и мелиоранта. 128
5.2. Формы соединений фосфора в выщелоченном черноземе при длительном применении различных систем удобрения . 138
5.2.1. Формы соединений фосфора, определенные по методу Чирикова. 140
5.2.2. Органические соединения фосфора. 169
5.3. Формы минеральных соединений фосфора в выщелоченном черноземе при длительном применении различных систем удобрения. 178
5.4. Подвижные соединения фосфора в выщелоченном черноземе при длительном применении различных систем удобрения. 215
6. Формы соединений калия и потенциальная буферная способность по отношению к калию в выщелоченном черноземе при длительном применении различных систем удобрения. 237
6.1. Формы соединений калия. 237
6.2. Калийный потенциал и потенциальная буферная способность почв в отношении калия. 252
6.2.1. Калийный потенциал. 252
6.2.2. Потенциальная буферная способность по отношению к калию в выщелоченном черноземе при длительном применении разных систем удобрения. 256 Общие выводы. 275 Список литературы. 282
- Роль удобрений в формировании физико-химических свойств черноземов
- Емкость катионного обмена и состав обменных катионов
- Влияние разных систем удобрения на содержание подвижных соединений азота в выщелоченном черноземе
- Формы соединений фосфора в выщелоченном черноземе при длительном применении различных систем удобрения
Введение к работе
Черноземы России - основная база земледелия. Большая часть урожая зерновых культур, сахарной свеклы, подсолнечника, многолетних плодовых, эфиромасличных культур производится на черноземах (Кружников, 1978). Исключительно высокое природное плодородие, обусловленное оптимальным сочетанием круговорота и аккумуляции углерода, азота, фосфора, кальция, явилось причиной длительного использования черноземов человеком. Долго утверждалось, что черноземы якобы не нуждаются в удобрениях и защите от стихий природы и человека. Рыхлость и структурность сложения в целинном черноземе поддерживаются корневыми системами трав и непрерывной деятельностью позвоночных и беспозвоночных животных (особенно грызунов, амфибий, рептилий, червей, личинок насекомых). Общая численность видов внутрипочвенных позвоночных животных, обитателей черноземов, - достигает 80-100; масса же общего внутрипочвенного «населения» беспозвоночных составляет до 300 т/га (Гиляров, 1965). Распашка, освоение, длительное возделывание сельскохозяйственных культур приводят к значительному уменьшению заселенности почв различными организмами (Булахов, 1980). Происходит нарушение (снижение уровня) нормального потока энергии, возобновления гумуса и освобождения биофилов, связанных в растительной и животной биомассе и в почвенном гумусе (Ковда, 1983).
В старопахотных лесостепных черноземах отмечается заметное снижение емкости катионного обмена на 5-10% за последние 50 лет (Щеглов, 1995). Агрогенные изменения значений РН могут превышать 2,0 единицы и распространяться на глубину более 1 м (Васенев и др., 1996).
В последние десятилетия в связи с усилением химического, механического и мелиоративного воздействия на чернозем все больше появляется свидетельств неблагоприятных изменений его свойств. Мало кто теперь обращает внимание на один парадокс в научном творчестве В.В. Докучаева. В 1883 г в «Русском черноземе» мы не находим никаких фактов, тем более эмоций, по поводу деградации черноземов, а всего через 9 лет в книге «Наши степи прежде и теперь» автор бьет в набат: из-за эрозии поверхность степей, а значит, и физическое испарение, возросли на 25, а кое-где на 50%; бесконечные равнины превратились во многих местах в холмы, узкие плато и склоны; площадь различного рода неудобных земель значительно возросла. Хищническая распашка чернозема лишила его защиты свойственной ему зернистой структуры. Усилилась эрозия черноземов, произошло его «почти повсеместное выпахивание и, следовательно, истощение».
Чернозем - организм, который хорошо сложен и обладает высокими природными качествами, но силы его надорваны, истощены, он уже не в состоянии правильно работать "все, что творится вокруг чернозема, является биржевой игрой", азартность которой с каждым годом, конечно, должна увеличиваться (Докучаев, 1892).
В то же время прогрессивная антропогенная эволюция почв обуславливает изменение почв во времени таким образом, что их свойства, нарушенные в процессе сельскохозяйственного использования, или их техногенной деградации, восстанавливаются до уровня или выше параметров почв естественных экосистем, плодородие их при этом возрастает (воспроизводится). Следовательно, воспроизводство плодородия деградированных черноземов является главным способом регулирования направления антропогенеза черноземов и предотвращения развития деградационных процессов. При этом создаются и поддерживаются высокоэффективные, экологически сбалансированные агроэкосистемы, где максимально используются природно-климатические ресурсы, полностью реализуются генетические потенциалы агроценозов и рационально применяются дополнительные антропогенные субсидии (удобрения и др.), которые необходимы для обеспечения самовозобновления агроэкосистем (Хазиев, 2000).
Важным условием оптимизации агроэкосистем является восстановление бездефицитных циклов питательных элементов и гумуса в почвах. Анализ состояния пахотных почв Черноземной зоны показывает недостаточный запас питательных веществ. В них повсеместно отмечается отрицательный баланс питательных элементов и гумуса. Аналогичная ситуация сохранится в последующие годы.
В этой связи остро стоит задача разработки таких систем удобрения, которые бы поддерживали плодородие современных деградированных черноземов на уровне получения 30 - 40 ц зерновых единиц с 1 га. Эти задачи могут решаться в длительных стационарных опытах, так как здесь в течение длительного периода времени нивелируются колебания погодных и других условий.
Цель и задача исследований.
Целью настоящей работы было изучение агрохимических свойств выщелоченного чернозема при длительном и систематическом применении различных систем удобрения.
В связи с этим основными задачами работы были:
1. Изучить изменение реакции, а также состава обменных катионов при использовании удобрений и дефеката.
2. Определить изменчивость содержания и запасов азота и его подвижных соединений.
3. Выявить изменения в валовом содержании фосфора и основных групп его соединений при длительном применении удобрений.
4. Изучить содержание и основные формы соединений калия.
Научная новизна и практическая ценность.
В работе установлено отчетливое подкисление чернозема при использовании минеральных удобрений на фоне навоза. Длительное сельскохозяйственное использование чернозема как без удобрений, так и при длительном систематическом их применении способствовало уменьшению показателей емкости катионного обмена и особенно главного ее компонента -обменного Са +. В соответствии с этим возросла ненасыщенность чернозема обменными катионами до 23,6-31,5%. Высокие дозы минеральных удобрений привели к уменьшению содержания азота, в то время как мобилизуемость органических соединений N при этом возросла. Применяемые системы удобрения способствовали увеличению содержания фосфора и его наиболее подвижных групп соединений. Не обнаружено существенных различий в содержании обменного катиона калия при испытании систем удобрения, в то время как содержание необменного катиона возросло от применения органо-минеральных систем. Несмотря на значительную дегумификацию изучаемый выщелоченный чернозем характеризуется высокой потенциальной буферной способностью по отношению к калию. Длительное применение органо-минеральных систем удобрения способствует некоторому снижению показателей РВСК, особенно в верхних горизонтах, а использование дефеката повышает их.
Все данные, полученные в диссертации, могут быть использованы для разработки систем удобрения, обеспечивающих высокие урожаи сельскохозяйственных культур и воспроизводство плодородия выщелоченного чернозема.
Апробация работы и публикации.
Результаты исследований были доложены и обсуждены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Санкт-Петербургского государственного аграрного университета в 2005, 2006 и 2007 годах, на Международной научной конференции во Всероссийском научно-исследовательском институте агрохимии им. Д.Н. Прянишникова 13-14 апреля 2005 г.; на IX Всероссийской конференции Докучаевские молодежные чтения «Почвы России. Проблемы и решения» в Санкт-Петербургском государственном университете 1-3 марта 2006 года; на X юбилейных докучаевских молодежных чтениях «Почвы и техногенез» в СПбГУ 1-3 марта 2007 года; на Всероссийской научной конференции, посвященной 100-летию кафедры почвоведения им. Л.Н. Александровой СПбГАУ в 2006 году. Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и списка литературы из 349 наименований, в том числе 53 иностранных. Содержание изложено на 312 страницах, включает 34 таблиц, 45 рисунка.
Работа выполнена на кафедре почвоведения им. Л.Н. Александровой Санкт-Петербургского государственного аграрного университета под руководством доктора сельскохозяйственных наук, профессора И.Н.Донских, при научных консультациях доктора сельскохозяйственных наук профессора Н.Г.Мязина и кандидата сельскохозяйственных наук, доцента К.Е.Стекольникова, которым автор приносит сердечную благодарность.
Автор также благодарит сотрудников кафедры почвоведения СПбГАУ за содействие в проведении аналитических работ и оформлении диссертации.
Роль удобрений в формировании физико-химических свойств черноземов
Значительный экспериментальный материал накоплен по влиянию удобрений на формирование физико-химических свойств черноземных почв. Применение полного минерального удобрения на черноземах обычно снижает содержание обменного кальция и сдвигает реакцию почвенного раствора в сторону подкисления (Пятенко, 1931; Богачук, 1937; Прянишников, 1940; Трусе, 1941; Соколов, 1947; Щерба, 1953; Кудзин, 1962; Сапун, 1964; Гринченко и др., 1966; Гуревич, Скороход, 1969). При этом гидролитическая кислотность по одним данным (Адерихин и др., 1964) почти не изменяется, по другим (Гринченко и др., 1966) - существенно возрастает.
Азотные удобрения, как правило, подкисляют чернозем, а систематическое применение фосфорных удобрений повышает сопротивляемость почв их подкисляющему действию (Давтян, 1964).
Как показали исследования Г.Я. Чесняка (1983), важное значение имеют соотношение вносимых видов удобрений на фоне навоза и без него, дозы удобрений и другие факторы, видимо, прежде всего, климатические. По данным 50-летного опыта Мироновского НИИ селекции пшеницы, длительное внесение даже небольших доз навоза в количестве 6 т/га ежегодно положительно сказывается на ЕКО и содержании всех обменных катионов (табл.2). В то же время, как указывает Г.Я. Чесняк (1983) в 14-летнем опыте Тернопольской опытной станции на варианте с 9 т/га навоза ежегодно, содержание обменных катионов не изменилось, но почти вдвое снизилась гидролитическая кислотность. На Роганском стационаре (левобережная украинская лесостепь) под влиянием ежегодного (в течение 10 лет) внесения навоза по 24 т/га на 11-12% увеличилась емкость катионного обмена, содержание обменных катионов Са2+ и Mg2+ и на 29% снизилась величина гидролитической кислотности.
Возрастание доли азотных и калийных удобрений по отношению к фосфорным (2:1:2) ухудшает физико-химические свойства черноземов, доминирование фосфора в полном минеральном удобрении сглаживает их отрицательное действие (видимо, за счет активного кальция, содержащегося в суперфосфате). Приблизительно так же изменяется под действием минеральных удобрений реакция почвенного раствора чернозема (Чесняк, 1983).
Научные данные и результаты агрохимических обследований последних лет свидетельствуют о том, что при интенсивном сельскохозяйственном использовании черноземов кислотность изменяется и за счет применения физиологически и биохимически кислых минеральных удобрений, особенно азотных (Кудзин, Гупало, Степаненко, 1960; Любарская, 1964; Листопадов и др., 1993).
Л.М. Жукова (1990), обобщив результаты 23 стационарных опытов по влиянию систематического применения удобрений на физико-химические свойства черноземов, констатирует их подкисление, которое возрастает по мере увеличения доз и продолжительности действия удобрений.
Исследования, проведенные на черноземе выщелоченном среднекислом Пензенской ГСХА, показали, что систематическое (в течение 8 лет) внесение навоза в дозе 6,3 т/га севооборотной пашни и минеральных удобрений в дозах N96P98K91 ежегодно приводило к снижению содержания обменного кальция, суммы обменных оснований, показателя рНКсі в пахотном и подпахотном горизонтах почвы (Надежкина, 2003).
При использовании минеральных удобрений, особенно в аммонийной форме, процессы образования промежуточных продуктов трансформации азотистых соединений оказывают также влияние на физико-химические свойства почвы. В результате внесения аммиачной селитры выявлено следующее: в период от посева до кущения яровой пшеницы происходило подщелачивание и накопление аммонийных соединений азота в результате дезаминирования и аммонификации легкоминерализуемых азотсодержащих соединений, что приводило к некоторому снижению гидролитической кислотности с 7,84 до 7,7 м-экв/100г почвы и повышению величины рНКсі (с 4,75 до 4,88). В дальнейшем (с фазы выхода в трубку до колошения), когда образующийся аммоний окислялся, и преобладали процессы нитрификации, кислотность почвы повышалась. К периоду уборки пшеницы эти показатели возвращались к исходным значениям. (Надежкина, 2003).
Выявленные связи показателей кислотности с подвижными соединениями азота Е.В. Надежкина (2003) описала следующими уравнениями множественной линейной регрессии (табл.3).
Из уравнений следует, что при росте содержания нитратных соединений возрастает гидролитическая кислотность и снижается показатель рНКсі При повышении содержания минеральных соединений азота (сумма N-N034- N-NH4) кислотность почвы возрастала. При этом повышение содержания N-N03 на 1 мг/кг почвы вызывает рост Нг на 0,041 м-экв/100г почвы и снижение рНксі на 0,023 единицы. Таблица 3. Уравнения зависимости между кислотными свойствами чернозема и содержанием минеральных соединений азота (Надежкина, 2003)
Аналогичные существенные изменения кислотности черноземов отмечены в исследованиях Украинского НИИ почвоведения и агрохимии, где в длительном опыте за 6 лет величина рН в пахотном слое оподзоленного чернозема на фоне N120P120K120 уменьшилась до 4,6, а содержание обменного катиона кальция - на 4,3 м-экв/100 г, что соответствует ежегодной потере кальция в перерасчете на СаСОЗ - 1.2 т/га. (Носко, Кучир, Раздайбеда, 1988).
К настоящему времени в различных районах Черноземной зоны России получены данные об изменении физико-химических свойств при использовании различных систем удобрения и применении известковых материалов.
Использование среднекислого средненасыщенного основаниями чернозема более 10 лет приводит к повышению всех видов кислотности. При внесении доломитовой муки максимальное ее действие достигается на третий год.
Затем происходит постепенное подкисление, и через 10 лет почва возвращается к исходному состоянию среды. Действие мелиоранта зависело от времени его внесения в почву. Предварительное известкование уменьшало негативное действие длительного использования почв и удобрений. При повторном известковании улучшались все физико-химические показатели: сумма обменных оснований, содержание обменного катиона Са2+, степень насыщенности основаниями. (Проскорякова, 2004; 2005).
О.М. Кольцова (1996), изучавшая различные системы удобрения совместно с применением дефеката и карбоната кальция химического синтеза Россошанского производственного объединения, пришла к следующим выводам. Сложившееся современное интенсивное использование черноземов выщелоченных приводит к значительному их подкислению в почвах, удобрявшихся минеральными удобрениями на фоне ежегодного применения навоза 8т/га. Особенно интенсивно этот процесс протекает в почве варианта, в котором применялись повышенные дозы минеральных удобрений. Известковый потенциал снизился с 3,8 до 3,4 к концу пятилетней ротации севооборота. Внесение навоза в дозе 40 т/га в черный пар на 5 лет замедляет процесс подкисления чернозема, однако добавление к навозу минеральных удобрений (особенно в повышенных дозах) способствует подкислению почвы. На вариантах, в которых испытывались известковые удобрения на фоне навоза, отмечено значительное улучшение кислотно-основных свойств, как в пахотном, так и подпахотном горизонтах. Аналогичные изменения отмечены в почве вариантов, где испытывалось совместное внесение дефеката и минеральных удобрений. Последействие внесенных мелиорантов сохранялось на протяжении всей ротации севооборота.
Емкость катионного обмена и состав обменных катионов
Оподзоленные и выщелоченные черноземы, в отличие от дерново-подзолистых и серых лесных почв, длительное время относили к почвам, не нуждающимся в известковании. Такая точка зрения была обусловлена высокой суммой обменных оснований в них: 35-40 мг-экв/100г почвы в оподзоленных и 40-50 мг-экв/100г почвы в выщелоченных черноземах. Содержание оснований в пересчете на СаС03 составляет 55-65 т/га в пахотном, а в гумусовом оно в 2 - 3 раза больше (Шильников, Ермолаев, Аканова, 2006). К этому следует добавить, что эти данные свойственны черноземам, у которых при содержании гумуса 5 -10% емкость катионного обмена равна 40-60 мг-экв/100г, а степень насыщенности основаниями 80 - 90%. Эти агрохимические показатели, по взглядам И.А. Шильникова, С.А. Ермолаева, Н.И. Акановой (2005), определяют устойчивую буферную систему, способную поддерживать постоянный уровень реакции среды в почве и противостоять ее подкислению. Однако на практике происходит повсеместное подкисление среды не только в оподзоленных и выщелоченных, но и в типичных и обыкновенных черноземах. Длительное сельскохозяйственное использование черноземов приводит к существенному уменьшению емкости катионного обмена (Адерихин, 1964; Гринченко и др., 1972).
В.В.Медведев, П.Г. Адерихин и др. (1983) отмечают, что в целинном черноземе левобережной степи Украины ЕКО достигает 51,5 мг-экв почвы. Распашка и длительное использование этого чернозема в зерносвекловичном севообороте без применения удобрений приводят к постепенному уменьшению ЕКО: спустя 12 лет - на 5%, 37 лет - на 9%, 52 года - на 15% и 100 лет - на 24%. Особенно значительно (на 17 - 26% за ЮОлет) уменьшается содержание обменного кальция в условиях низкой культуры земледелия. Медленнее уменьшается содержание обменного магния. Поэтому соотношение между Са и Mg"+ с длительностью использования пашни несколько сужается.
Применение минеральных удобрений на черноземах способствует снижению обменных катионов (Адерихин и др., 1964; Небольсина, 2005). В этой связи представляет интерес изменение состава обменных катионов в выщелоченном черноземе при длительном применении разных систем удобрения.
Данные, предоставлены на рис. 4, показывают, что в целинной почве при высоком содержании гумуса емкость катионного обмена (ЕКО) по профилю изменяется от .40,52 мг-экв/100г в самом верхнем (0-20 см) горизонте до 33,67 — 33,90 мг-экв/100г в нижних (60-100 см) горизонтах. В этой связи необходимо подчеркнуть, что показатели общего количества обменных катионов достаточно высокие и уменьшаются по профилю очень постепенно. В почве контрольного варианта ЕКО характеризуются значительно меньшими показателями. Они колеблются по профилю в пределах 20,63 - 29,58 мг-экв/100г почвы.
Так, в верхнем слое (0-20см) ЕКО равна 26,02 мг-экв/100г. В горизонте 20-40см количество обменных катионов, определяющих ЕКО, значительно снижено (25,18 мг-экв/100г). В горизонте 40-60 см суммарное содержание обменных катионов резко возросло - до 29,58 мг-экв/100г. В нижнем горизонте (80-100см) величина ЕКО равна 20,63 мг-экв/100г. Такое постепенное снижение показателей ЕКО мы связываем со значительным уменьшением в сравнении с целинной почвой содержания гумуса с глубиной.
Применение органических удобрений в фоновом варианте практически не изменило величины ЕКО. Они по профилю изменяются от 23,52мг-экв/100г в горизонте 0-20 см до 17,50 мг-экв/100г в самом нижнем (80-100см) горизонте. Таким образом, можно считать, что ЕКО в почвах контрольного и фонового вариантов характеризуется величинами 20-25,85 мг-экв/100г. Несколько по-иному наблюдается распределение показателей ЕКО в профиле почв вариантов, в которых на фоне органических применялись минеральные удобрения. Так в почве варианта фон + ІЧбоРбоКбо суммарное содержание обменных катионов значительно превышает величины ЕКО в почвах контрольного и фонового вариантов, особенно в верхнем (0-40 см) горизонте. ЕКО в этом горизонте равна 30,52 - 32,82 мг-экв/100г.
С чем связано, что при таком же, как в почве первых опытных вариантов, содержании гумуса, показатели ЕКО в верхнем горизонте более высокие, чем в почве контрольного и фонового вариантов? Как мы показали выше, верхние горизонты почв вариантов, в которых на фоне органических применялись минеральные удобрения, характеризуются кислой реакцией, при которой в составе обменных катионов значительное место занимают ионы водорода. При существенном уменьшении количества обменного катиона кальция уменьшается цементирующая роль его в создании микроагрегатного состава. В результате чего многие коллоидные и илистые частицы переходят в свободное состояние, что в свою очередь приводит, видимо, и к увеличению поглощения обменных катионов такой почвы. В последующих трех горизонтах - 40-60, 60-80 и 80-100 см .-величины ЕКО мало отличаются от аналогичных показателей ЕКО данных горизонтов почв контрольного и фонового вариантов.
Более высокие дозы минеральных удобрений, применяемые в варианте фон +N120P120K120, оказали положительное влияние на величины ЕКО только в самом верхнем (0-20 см) горизонте. В остальных горизонтах показатели ЕКО изменяются в пределах 19,00- 24,58 мг-экв/100г. Они примерно такие же, как и в почвах первых трех опытных вариантов.
Применение дефеката как совместно с органическими, так и с минеральными удобрениями способствовало существенному уменьшению величин емкости катионного обмена в пределах всего почвенного профиля. Особенно существенно это уменьшение суммарного количества обменных катионов наблюдается в горизонтах 0-20 и 20-40 см. В других, более глубоких горизонтах, уменьшение величин ЕКО происходит менее значительно. Влияние дефеката на заметное уменьшение величин ЕКО мы связываем с тем, что дефекат как известьсодержащее удобрение способствует обогащению почвенно-поглощающего комплекса обменным катионом кальция. Таким образом, происходят процессы необратимой коагуляции и цементации наиболее дисперсных гранулометрических частиц в микроагрегаты, а следовательно происходит значительное уменьшение емкостных свойств черноземной почвы.
Среди обменных катионов, определяющих ЕКО, наибольший удельный вес занимают катионы Са2+ и Mg2+. Как видно из рисунка 5, содержание обменных катионов Са и Mg в целинной почве характеризуется наибольшими величинами. В верхнем сорокасантиметровом слое суммарное количество обменных катионов Са2+ и Mg2+ равняется 37,11-38,06 мг-экв/100г. В горизонтах 40-60, 60-80 и 80-100 см оно снижено до 31,35-32,60 мг-экв/100г.
Влияние разных систем удобрения на содержание подвижных соединений азота в выщелоченном черноземе
Основная масса азота в почвах сосредоточена в органических соединениях, представленных мономерными соединениями и азотистой частью гумусовых веществ. Азотистые мономерные соединения составляют в черноземных почвах 5-5,2% от общего азота (Надежкина, 2003). В составе неспецифических азотсодержащих соединений ведущее место принадлежит аминокислотам - структурным компонентам белка. Среди свободных аминокислот в почвах идентифицированы: аспарагиновая, валин, лейцин, изолейцин, цистин, треонин, алонин, метоеонин, фетилаланин и др. (Щербаков, 1978; Кузяков, 1996). В состав неспецифических соединений входит и азот лабильных (легкоразлагаемых) органических веществ (ЛОВ). К ним относятся неразложившиеся растительные остатки, органические вещества живого происхождения, объединенные общим понятием - источники гумуса, а также промежуточные продукты их разложения типа детрита (Ганжара, 1993). Доля азота этих соединений составляет в черноземах 3,4-4,3 % от общего азота почвы (Надежкина, 2003). В состав легкогидролизуемой части азотистых соединений входят также соединения азота наиболее подвижных фракций гуминовых и фульвокислот.
В последние годы для установления потребности растений во внесении азотных удобрений широко рекомендуется определение легкогидролизуемого азота в почве по методу Корнфилда, в основу которого положен гидролиз органических соединений раствором щелочи концентрации 1 моль/ дм . В результате такого гидролиза азотистые соединения в виде аммиака выделяются из почвы. Последний улавливается борной кислотой. Исследованиями ВИУА показана высокая положительная корреляционная связь между количеством азота, определенным по Корнфилду, и данными нитрификационной способности, особенно для почв с незначительным содержанием нитратов. На основании сопоставления урожайных данных (в полевых опытах) с результатами определения легкогидролизуемого азота по Корнфилду для черноземов предложены ориентировочные индексы обеспеченности почвы азотом (в мг/кг почвы): 1 - до 80 - высокая потребность в азотных удобрениях. 2- 80-160 - средняя 3-160-200-низкая 4- более 200 - отсутствие потребности (Ягодин, 1987). На рисунке 13 приведены данные о содержании подвижных соединений азота, гидролизуемыми щелочными растворами. Как видно из этого рисунка, наибольшее содержание легкогидролизуемого азота (139 мг N /кг) сосредоточено в верхнем двадцатисантиметровом слое целинной черноземной почвы. Достаточно высоким (82-103 мг N /кг) оно было в горизонте 20-40 см и 40-60 см. В нижних горизонтах (60-80 и 80-100 см) количество данной группы азотистых соединений резко уменьшено - 42-59 мг N /кг.
В почве контрольного варианта показатели обеспеченности подвижными соединениями азота верхнего (0-20 см) горизонта существенно ниже, чем они были в данном горизонте почвы целинного чернозема. Они равнялись 105 мг N /кг. Вероятно, это связано с тем, что при низкой продуктивности сельскохозяйственных культур в верхних горизонтах остаются только послеуборочные остатки. В целинном черноземе из-за отсутствия отчуждения биологической продукции детритная часть органического вещества остается в верхних горизонтах и накапливается в больших количествах. Содержание подвижных соединений N в горизонте 20-40 см достаточно высокое - 105 мг N /кг. Оно такое же, каким было в этом слое целинной почвы. В почве контрольного варианта наблюдается также резкое уменьшение количества подвижных соединений в нижней части почвенного профиля. Аналогичная картина распределения показателей обеспеченности черноземной почвы подвижными соединениями азота наблюдается в почве фонового варианта, в котором испытывалось органическое удобрение.
Совершенно другая картина в распределении показателей обеспеченности легкогидролизуемыми соединениями азота наблюдается в профилях почв вариантов, в которые на фоне органических удобрений ежегодно вносились минеральные удобрения. Как видно из рис. 13, наблюдается существенное обогащение подвижными соединениями не только верхнего двадцатисантиметрового слоя, но и горизонта 20-60 см. Особенно отчетливо оно проявляется в почве варианте Фон +N12oPi2oRi20 В этом горизонте почвы данного варианта содержание подвижных соединений азота колеблется в пределах 108-105 мг N /кг. Нижние горизонты почв этих вариантов также более обогащены подвижными соединениями азота (84 мг N /кг). Своеобразная, отличная от других вариантов, аккумуляция подвижных соединений азота наблюдается в почве вариантов, в которых применялся дефекат. Во-первых, в профиле почв данных вариантов наблюдаются самые низкие показатели обеспеченности подвижными соединениями азота. Особенно низкими эти показатели были в почве варианта дефекат + NeoPeoKeo- Так, начиная с глубины 40 см, содержание легкогидролизуемых соединений азота самое низкое из всех испытуемых вариантов - 38,5 - 66 мг N /кг. С чем связано, что при использовании дефеката происходит существенное снижение подвижных соединений азота?
В почвах вариантов, в которых испытывался дефекат, запасы подвижных соединений N были в слое 0-20 см такими же, как и в почве контрольного варианта. Максимальная аккумуляция данной группы азотистых веществ наблюдается в верхнем двадцатисантиметровом слое целинной черноземной почве — 334 кг N на 1 га. Более существенные различия в обеспеченности изучаемыми формами азотистых соединений в почвах испытуемых вариантов наблюдаются в корнеобитаемом слое (0-50 см). Самые низкие показатели аккумуляции подвижных соединений азота - 552 кг/га - характеризуют корнеобитаемый слой почвы варианта дефекат + NeoPeoKeo- Они даже ниже, чем запасы данных соединений в горизонте 0-50 см почвы контрольного варианта. Применение органических удобрений в фоновом варианте, а также использование совместно органических и минеральных удобрений в варианте Фон + ЫбоРбоКбо способствовало повышению уровня аккумуляции данных соединений азота в горизонте 0-50 см только на 41-42 кг/га, по сравнению с контрольным вариантом. Более существенная разница в степени обеспеченности подвижными соединениями азота наблюдается в корнеобитаемом слое почвы варианта Фон + Ni2oPi2oKi2o-85 кг/га. Запасы легкогидролизуемых соединений N в слое 0-50 см варианта фон + дефекат равны 605 кг/га.
Эти запасы примерно такие же, какими они являются в слое 0-50 см почв контрольного варианта. Самые же высокие запасы данной группы соединений азота характеризуют горизонт 0-50 см целинной черноземной почвы - 688 кг/га. Еще более контрастная картина в аккумуляции подвижных соединений азота наблюдается в испытуемых вариантах в метровой толще.В почве контрольного варианта в метровом слое аккумулируется 1018 кг N на га.
Во всех вариантах, кроме варианта дефекат + ЫбоРбоКбо, наблюдается повышение показателей уровня аккумуляции подвижными соединениями азота в метровой толще. Разница в сравнении с контрольным вариантом колеблется от 87 до 253 кг N на га. Особенно большое повышение уровня накопления подвижных соединений N наблюдается в почве варианта, в котором испытывались высокие дозы минеральных удобрений - N120P120K120 - 253 кг N на га. В других вариантах запасы подвижных соединений азота превышают уровень аккумуляции этих соединений контрольного варианта на 87 - 143 кг N на га. В целинной черноземной почве запасы подвижных соединений N были равны 1072 кг N на га.
Формы соединений фосфора в выщелоченном черноземе при длительном применении различных систем удобрения
Благодаря высокой реакционной способности фосфор в свободном состоянии в природе не встречается. В почвах он всегда содержится в пятивалентном виде, т.е. соответствует ангидриду Р2О5, который с водой и другими элементами образует обширную группу кислородных соединений фосфора - фосфорных кислот и фосфатов. В зависимости от числа молекул воды и числа замещенных водородов, а также от количества тетраэдров Р04 и способ их соединения между собой, фосфаты образуют химические соединения, различающиеся по растворимости в воде и различных растворителях, содержанию фосфора, физическим, физико-химическим и другим свойствам. На этом основании их можно подразделить на две основные группы: 1. Ортофосфаты (мономеры) - построены из изолированных тетраэдров РО43", в вершинах которых расположены атомы кислорода. 2. Конденсированные фосфаты (ортофосфаты - полимеры) получаются путем частичного отщепления воды («конденсации») ортофосфатов; содержат меньше конституционной воды, но больше фосфора, чем мономерные ортофосфаты; состоят также из тетраэдров РО4 " , которые через общие кислородные вершины образуют фосфатные комплексы. В зависимости от способа соединения отдельных тетраэдров между собой конденсированные фосфаты образуют различные полимерные соединения (Реми, 1963).
Почти все соединения почвенных фосфатов (минеральных и органических форм) являются ортофосфатами (мономерами или полимерами). Но могут встречаться и полимерные конденсированные фосфаты. В последнее время конденсированные фосфаты вносятся в почвы в виде удобрений, а также в составе дезинфицирующих веществ (Гинзбург, 1975).
Фосфор в почвах представлен органическими и минеральными соединениями. Соотношение между фракциями минеральных и органических соединений, их качественный и количественный состав в различных типах почв различен и характерен для данных почвенных условий. Определение запаса фосфора, минеральных и органических соединений фосфора и отдельных фракций имеет теоретическое и практическое значение для характеристики типов почв, для обоснованной оценки агрохимических свойств и др.
В зависимости от генетического типа почв состав минеральных фосфатов в них различен. В карбонатных почвах предполагают преимущественно содержание различных форм фосфатов кальция (ди-, октакальцийфосфатов и др.); в слабокислых почвах - фосфатов кальция и полутораокисей (гидроксил-, фторапатитов, варисцита и др.); в кислых почвах - фосфатов полутораокисей (варисцита, стренгита, баррандита и др.). Исследователями было выделено и идентифицировано около 200 различных минеральных видов фосфора, устойчивость которых зависит от различных почвенных условий, в частности от РН, активности различных катионов (особенно Са, Mg, Al, Fe), примененных удобрений, известкования, гипсования, орошения. Поэтому одна и та же форма фосфорного соединения в различных почвенных условиях может иметь различную ценность для питания растений (Везер, 1962; Larsen, 1967).
Для определения минеральных соединений в настоящее время широко используются методы Чирикова (1939, 1947), Чанга- Джексона (1957), Гинзбург-Лебедевой (1971). Групповой и фракционный состав фосфатов в черноземных почвах изучался многими исследователями (Дуда, Сонько, Мусатов, 1973; Божко, 1974; Бондаренко, 1968; Назаров, 1972; Поставская, Гамзиков, 1975; Лешков, Жежер, Ищенко, 1977; Терентьев. Мореплавцева, 1977; Кривоносова, 1977; Салманов, 1976; Носко, 1981 и др.). Показано, что формирование групп соединений фосфора определяется генезисом почв (Марковский, 1976; Носко, 1981), внесением органических и минеральных удобрений (Щербаков, Штумпе, Гарц, 1981; Носко, 1981; Салманов, Зеленцова, 1976), эрозией почв (Кривоносова, 1977), в целом степенью окультуривания (Войкин, Андреев и др., 1976), а также гранулометрическим составом и химизмом почвообразующих пород (Дуда, Сонько и др., 1973; Войкин, Фатьянов, 1976). Групповой состав фосфатов определялся по методу Чирикова. Были использованы следующие растворители: 1- Н20 + СОг - этой вытяжкой извлекаются все фосфаты щелочных металлов и NH4; кислые фосфаты Са, Mg; MgHP04; Са НР04; Mg3(P04)2 2- 0.5 н. раствор СН3СООН. Уксусная кислота растворяет Саз(Р04)2; частично фосфоритовые и апатитовые зерна, часть AL Р04 и фитина. 3- 0,5 н. раствор HCL. Данная кислота извлекает из почвы соединения фосфора, аккумулированные в зернах апатита PI фосфоритов, AL Р04, Fe Р04; основные фосфаты AL, Fe; фитин (фитаты Fe). 4- 3,0 н. раствор NH4OH - извлекает, в основном, органические соединения фосфора. Сюда входят нуклеины, нуклеопротеиды и комплексные соединения фосфатов и гуминовых кислот.
На рис. 17 представлены данные о содержании водорастворимых соединений фосфора в профиле почв изучаемых вариантов. Как видно из этого рисунка, содержание этой наиболее подвижной группы фосфатов в целинном черноземе наиболее низкое. Оно измеряется по профилю в пределах 3,25-4,0 мг Р205 на 100 г. Значительно более высокие показатели содержания водорастворимых соединений Р характерны для профилей почв вариантов «контроль» и «фон». Так, в верхнем двадцатисантиметровом слое почв этих вариантов количество этой группы соединений Р равно 5- 6,75 мг Р2О5 на 100 г. В более глубоких горизонтах почвы обеспеченность данными соединениями снижена до 2,75-4,5 мг Р2О5 на 100г. Более высокое количество фосфатов, растворимых в воде в почве, контрольного варианта, мы объясняем интенсивно идущими процессами минерализации органических послеуборочных остатков и возможной трансформацией труднорастворимых фосфатов кальция в однозамещенные фосфаты кальция под действием углекислоты.
