Содержание к диссертации
Введение
Современное состояние проблемы микроэлементов. Ключевые особенности биогеохимии микроэлементов в почвенном покрове юга Западной Сибири
Условия, объекты и методика проведения исследований
Характеристика природных условий Омского Прииртышья как факторов миграции микроэлементов в ландшафтах
Геологическое строение и рельеф
Почвообразующие породы
Гидрологические условия
Биоклиматические условия
Почвенный покров
Объекты и методика проведения исследований
Закономерности распределения валового содержания и кислоторастворимых прочносвязанных форм микроэлементов в почвах Омского Прииртышья
Закономерности содержания и распределения подвижных форм микроэлементов в почвах
Марганец
Медь
Цинк
Кобальт
Молибден
Бор
Формы бора в почвах
Оценка содержания подвижных форм микроэлементов в почвах и диагностика потребности растений в микроудобрениях
Микроэлементы в системе почва-растение в условиях юга Западной Сибири
Эколого-агрохимическая оценка содержания микроэлементов в растениях на почвах Западной Сибири
Особенности биологического поглощения микроэлементов растениями на почвах лесостепной и степной зон Омского Прииртышья
Оценка потенциала поглощения микроэлементов растениями в зависимости от их концентрации в почве
Борное засоление почв как фактор продуктивности растений в условиях юга Западной Сибири
Влияние высоких концентраций бора на поступление его в растения и их продуктивность
Факторы, влияющие на поступление бора в растения и их устойчивость к высоким концентрациям элемента
Бор в системе почва-растение при мелиорации солонцов гипсом и фосфогипсом
Почвенно-геохимическое районирование территории Омской области
Выводы
Библиографический список
- Геологическое строение и рельеф
- Закономерности распределения валового содержания и кислоторастворимых прочносвязанных форм микроэлементов в почвах Омского Прииртышья
- Эколого-агрохимическая оценка содержания микроэлементов в растениях на почвах Западной Сибири
- Влияние высоких концентраций бора на поступление его в растения и их продуктивность
Введение к работе
Актуальность темы. Микроэлементы выполняют уникальные функции в биосфере (Пейве, 1961; Бобко, 1963; Каталымов, 1965; Школьник, 1974; Чернавина, 1970; Berger, 1949 и др.), в связи с чем проблема микроэлементов выходит далеко за рамки растениеводства и не теряет актуальности до настоящего времени.
Связующим звеном биогеохимических процессов, в т. ч. миграции микроэлементов является почва (Ковда, 1985). Неоднородность почвенно-геохимической среды приводит к формированию биогеохимических провинций с недостатком, избытком, несбалансированным содержанием химических элементов, вызывающих эндемические реакции живых организмов (Виноградов, 1952, 1957; Ковальский, 1977, Ильин, 1973). Исследования баланса микроэлементов в земледелии показывают, что в целом ряде регионов России и в мире микроэлементы выступают в качестве фактора, определяющего потенциал продуктивности возделываемых культур. По данным агрохимической службы Омской области 98 % пашни имеет дефицит содержания Zn, 70,2 % – Co, 47 % – Cu, 11,6 % – Mn (Красницкий, Цырк, 1996), который может усугубляться низким уровнем применения минеральных, органических удобрений, эрозионными процессами. В то же время более 1,9 млн. га почв Омской области содержат избыточные концентрации B, что снижает продуктивность и качество растений (Азаренко, 2007). Нередко отмечается несбалансированный по макро- и микроэлементам состав кормов, низкое содержание в них Cu, Zn, Co, I (Красницкий, Янович, Ищук, 2008).
Следовательно, проблема оптимизации микроэлементного состава почв и растений является актуальной для повышения и сохранения продуктивности земель и улучшения биогеохимической обстановки. Она может быть реализована только на основе знаний о закономерностях распределения и взаимосвязей микроэлементов в почвенном покрове и комплексной характеристики современного состояния микроэлементного состава почв и растительности региона. Не смотря на значительное количество исследований в области биогеохимии Mn, Cu, Zn, Co, Mo и B в почвах Западной Сибири, многие вопросы для территории Омского Прииртышья остаются слабо изученными и требуют дальнейшей разработки.
Цель исследований – комплексная характеристика микроэлементного состава почв и растений юга Западной Сибири в пределах Омского Прииртышья на основе закономерностей распределения и взаимосвязей микроэлементов (Mn, Cu, Zn, Co, Mo и B) в системе почва-растение с учетом региональных особенностей почвообразования.
Задачи исследований:
- Установить закономерности распределения валового содержания, прочносвязанных кислоторастворимых и подвижных форм микроэлементов в почвах разного генезиса и факторы, определяющие их пространственную и внутрипрофильную дифференциацию;
- Выявить взаимосвязи и дать эколого-агрохимическую оценку содержания микроэлементов в системе почва-растение;
- Оценить влияние борного засоления почв на продуктивность сельскохозяйственных культур юга Западной Сибири; разработать шкалу бороустойчивости растений, выявить факторы, влияющие на устойчивость растений к бору;
- Установить влияние и механизмы действия гипса и фосфогипса на содержание бора в системе почва-растение при химической мелиорации солонцов;
- На основе установленных географических закономерностей распределения микроэлементов в почвенном покрове провести почвенно-геохимическое районирование территории Омской области.
Научная новизна исследований. Представлены новые данные о закономерностях распределения прочносвязанных и подвижных форм микроэлементов в почвах разного генезиса, а также содержании микроэлементов в растениях, характеризующие микроэлементный статус территории Омского Прииртышья на юге Западной Сибири. Исследованы закономерности распределения бора в почвах солонцового и засоленного рядов, влияния борного засоления на растения. Разработаны система показателей диагностики токсического влияния элемента на растения, шкала бороустойчивости растений. Выявлены факторы, влияющие на бороустойчивость растений. Впервые экспериментально исследованы механизмы влияния гипса и фосфогипса на содержание бора в солонцах при мелиорации, получены количественные параметры влияния мелиорантов на содержание элемента в системе почва-растение. Проведена оценка потенциала поступления микроэлементов в растения, которую следует учитывать при нормировании доз микроудобрений в агроценозах и при техногенном загрязнении почв. Предложена схема почвенно-геохимического районирования территории Омской области по содержанию микроэлементов в почвах как основа для биогеохимического районирования и оптимизации микроэлементной обстановки.
Теоретическая значимость результатов исследования. Представленные данные вносят вклад в развитие биогеохимии микроэлементов в почвенном покрове юга Западной Сибири. Значительно расширены данные о геохимии бора в почвах и растениях. Выявлены некоторые причины токсического влияния элемента на растения и закономерности поступления элемента в растения на солонцовых почвах. Разработаны подходы к решению проблемы борного засоления почв на юге Западной Сибири.
Практическая значимость результатов исследования и их реализация. Полученные результаты являются основой для решения проблемы оптимизации микроэлементной обстановки на территории Омского Прииртышья. Данные о содержании микроэлементов в почвах и растениях и разработанная схема почвенно-геохимического районирования Омской области рекомендуются при проведении эколого-геохимического мониторинга и биогеохимического районирования, разработке систем удобрений.
Разработанная система нормальных и токсических уровней содержания бора в почве, растениях, соотношения в них Са/В позволяют прогнозировать влияние элемента на почвах с его избыточным содержанием как в природных борных биогеохимических провинциях, так и при техногенном загрязнении почв. Предложенная шкала бороустойчивости растений дает возможность повышения продуктивности агроценозов на почвах с борным засолением.
Установленные характеристики взаимосвязей содержания микроэлементов в системе почва-растение могут использоваться в целях оптимизации минерального питания растений, нормировании доз микроэлементов, исключающих избыточное их накопление в растениях и почвах.
Полученные материалы предназначены для использования агрохимической, ветеринарной, медицинской, экологической службами, сельскохозяйственными предприятиями. Данные исследований могут быть использованы для издания учебных пособий, справочников. Результаты исследований переданы в ФГБУ «ЦАС «Омский», используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО ОмГАУ им. П.А. Столыпина.
Защищаемые положения:
1. Распределение микроэлементов в почвах и растениях юга Западной Сибири (Омского Прииртышья) обусловлено влиянием зональных биоклиматических и интразональных геолого-геоморфологических факторов, исходного уровня их концентраций в почвообразующих породах, степени дисперсности субстрата, химических и физико-химических свойств почв и характера процессов почвообразования, что доказывается установленными взаимосвязями содержания микроэлементов в системе почва-растение.
2. Борное засоление почв на юге Западной Сибири является существенным фактором снижения урожайности и качества растений, в связи с чем разработаны параметры диагностики токсического влияния бора на растения и шкала их бороустойчивости. Выявлены почвенные факторы, влияющие на поглощение бора растениями и устойчивость их к избыточным концентрациям элемента, к числу которых относятся концентрация легкорастворимых солей, а также марганца и цинка в почве. Химическая мелиорация солонцов приводит к значительному снижению степени борного засоления, обусловленному усилением процессов выщелачивания и физико-химического поглощения соединений бора под действием кальция гипса и фосфогипса.
3. Значительное варьирование содержания микроэлементов в почвах и растениях по природным зонам и геоморфологическим районам отражено в схеме почвенно-геохимического районирования Омской области. Выявленные закономерности и взаимосвязи микроэлементов в системе почва-растение являются основой для разработки мероприятий по оптимизации микроэлементного состава почв и растений, улучшению биогеохимической обстановки, управлению почвенным плодородием.
Апробация исследований. Основные результаты исследований обсуждались на Съездах общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Новосибирск, 2004; Петрозаводск, 2012), Международных научно-практических конференциях: (Омск, 1997, 2008, 2009, 2013; Москва, 1999; Алматы, 2005; Иркутск, 2007; Абакан, 2013), Всероссийских (Новосибирск, 2009, Москва 2012), региональных (Омск, 2000, 2001, 2002, 2004), ежегодных (1992-2012 гг.) профессорско-преподавательского состава и аспирантов ФГБОУ ВПО ОмГАУ им. П.А. Столыпина.
Объём и структура диссертации. Диссертация изложена на 346 страницах основного текста, состоит из введения, 8 глав, выводов, 56 приложений, содержит 108 таблиц, 25 рисунков. Библиографический список включает 377 источников, в том числе 74 – на иностранном языке.
Публикации. Материал, представленный в диссертации, отражен в 49 публикациях, включая 14 статей в ведущих научных изданиях и журналах, перечень которых утвержден ВАК Министерства образования России.
Личный вклад автора. Автору принадлежит формулирование проблемы, разработка программы исследований, выполнение экспериментальной части, анализ, обобщение, интерпретация полученных результатов.
Кроме собственных исследований в работе использованы данные ФГБУ ЦАС «Омский» и ФГБУ ЦАС «Тарская» по содержанию микроэлементов в почвах и растениях, а также опубликованные ранее данные по проблеме микроэлементов в Омской области (Гамзиков, 1967; Орлова, 1968,1973,1980, 1990, 2007; Агеев, 1980 и др.).
Исследования по теме диссертации проводились в соответствии с планом научно-исследовательской работы факультета агрохимии, почвоведения и экологии по темам «Эколого-геохимические аспекты развития почв черноземно-солонцовых комплексов лесостепных и степных ландшафтов юга Западной Сибири при их сельскохозяйственном использовании и улучшении», № 01200611654 и «Оценка современного состояния почвенного покрова естественных и антропогенных ландшафтов Западной Сибири, № 01201256676.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность за научно-методическое руководство и всестороннюю помощь научному консультанту, д.с.-х. н., профессору, Заслуженному деятелю науки РФ, лауреату государственной премии имени акад. Д.Н. Прянишникова РФ Ю.И. Ермохину, а также за ценные советы и консультации к.с.-х.н., доценту Орловой Э.Д.
Автор искренне признателен за помощь при проведении исследований директору ФГБУ ЦАС «Омский», д.с.-х. н., профессору Красницкому В.М., начальникам отделов Авериной Г.Д., Цырку А.Ф., Янович В.Д. и другим сотрудникам организации.
Автор благодарит коллектив кафедры почвоведения и факультета агрохимии, почвоведения и экологии ФГБОУ ВПО ОмГАУ им. П.А. Столыпина за помощь при проведении исследований и выполнении диссертации.
Геологическое строение и рельеф
Концентрация меди в почвенном субстрате юга Западной Сибири состав-ляет 30,6 мг/кг (Ильин В. Б., 1973), по полученным позднее данным для сово-купности почв Западной Сибири – 31 мг/кг (Сысо А. И., 2004). Большинство концентраций элемента в почвах находится в пределах 20-39 мг/кг. Это значительно выше средней концентрации элемента (16,3-21,5 мг/кг), установленной Виноградовым А. П. (1957), Зыриным Н. Г. (1968), Зыриным Н. Г., Зборищук Ю. Н. (1974) для почв Русской равнины и совокупности почв раз-ных зон бывшего СССР (Ковальский В. В., Андрианова Г. А., 1970). Фоновое содержание меди в черноземах юга Западной Сибири (20 мг/кг в черноземах Кулунды и 30 мг/кг в черноземах Барабы и Приобья) также значи-тельно превышает его количество в черноземах Центрально-Черноземного рай-она (17,6 мг/кг) (Ильин В.Б. и др., 2003; Протасова Н. А., 1992). Повышенное содержание меди в почвах выступает как следствие обогащенности элементом почвообразующих пород. Наиболее высокие концентрации микроэлемента в почвах Западной Сибири обнаружены в луговых и болотных почвах, наимень-шие – в каштановых и дерново-подзолистых. Во многих почвах юга Западной Сибири в перегнойно-аккумулятивном горизонте меди содержится достоверно выше по сравнению с горизонтом С, что рассматривается как следствие био-генных процессов и слабой дренированности территории, препятствующей от-току элемента. В распределении меди в почвенном покрове была выявлена наи-более тесная связь с высокодисперсной илистой фракцией (r = 0, 73±0,02) и ме-нее тесная связь с гумусом, имеющая криволинейный характер ( = 0,33±0,04). В почвах юга Западной Сибири микроэлемент сосредоточен в основном в силикатной части почв, на долю которой приходится 70 – 91 % валового со-держания меди. В среднем 10 % общего содержания элемента приходится на подвижную форму, водорастворимой меди в почвах менее 1 % валового содер-жания. Среднее содержание подвижной меди (1н НСl) в почвах юга Западной Сибири составляло 3,8 мг/кг при колебаниях значения от 0,2 до 14,6 мг/кг. В перегнойно-аккумулятивном горизонте содержание микроэлемента 4,1 мг/кг, что почти в 2 раза выше, чем в том же горизонте почв Русской равнины. Наи-более высокие значения концентраций меди (5,3 – 5,5 мг/кг) находились в гид-роморфных и засоленных почвах, более низкие (2,4 – 2,9 мг/кг) в дерново-подзолистых и каштановых почвах (Ильин В.Б., 1973).
Исследователями отмечалась динамичность содержания подвижной меди в почвах в течение вегетационного периода, связанная с изменением погодных условий и активности почвенной микрофлоры. Для серых лесных и дерново-подзолистых почв Западной Сибири максимум содержания меди наблюдался в летний период, иногда в начале осени. Показано существенное влияние влаж-ности почвы (r = 0,42 – 0,52) на содержание подвижной формы элемента в се-рых лесных почвах, черноземах выщелоченных, солонцах (Бахнов В. К., 1971, Трейман А. А., 1971). Сходные закономерности были установдены для дерново-подзолистых почв Омской области (Агеев В.А., 1980). Цинк. Среднее содержание Zn в земной коре 83 мг/кг. Он является халь-кофильным и литофильным элементом, имеющим высокое сродство с серой. Из осадочных пород наиболее обогащены им глины и сланцы. Значительное коли-чество Zn адсорбируют болотные и озерные руды, обогащенные Fe и Mn, фос-фориты органического происхождения (Ковальский В. В., Андрианова Г. А., 1970). В зоне гипергенеза Zn является довольно подвижным элементом. В про-цессе выветривания в кислой окислительной среде он переходит в растворы в форме Zn2+, часто образуя сульфаты и хлориды. Вторичное осаждение элемента происходит в форме сульфидов, оксидов, карбонатов и гидрокарбонатов, сили-катов. В коре выветривания наиболее распространены карбонаты Zn, преиму-щественно смитсонит ZnCO3, и силикаты элемента. Высокие концентрации Zn находятся в железо-магниевых и марганцевых минералах, в ассоциации с двух-валентными Fe, Mn, Al, Мg. Большую роль в геохимии Zn играют процессы ад-сорбции глинистыми минералами, органическим веществом, оксидами Fe и Al. По оценкам Ш. З. Мамилова, А. К. Саданова, А. Н. Илялетдинова (1987) до 45 % цинка связано с оксидами железа, до 35 % находится в кристаллической ре-шетке глинистых минералов. Значительно меньше соединений металла нахо-дятся в обменном состоянии. В почвах и почвообразующих породах цинк находится в форме изоморф-ных замещений в слюдах, амфиболах, роговых обманках, глинистых минера-лах. Часть количества металла фиксируется обменно, особенно в сильнокислой среде, часть закрепляется необратимо в связи с безобменным поглощением внутри решетки или на поверхности глинистого минерала. Весь сорбированный почвой цинк можно разделить на водорастворимый, обменноспособный (извлекаемый 1 н NН4ОАс или КСl), кислоторастворимый (в 2,5 % СН3СООН или 0,1 н НСl). Количество обменноспособного цинка в почвах очень небольшое, составляет от десятых долей процента и редко до 20 % (Громова Е. А., 1973). Основная подвижная форма – ионы Zn2+, также распространены и другие ионные формы: ZnCl+, ZnOH+, ZnHCO3+, Zn(OH)2, ZnO, Zn5 (OH)6 (CO3)2, Zn3 (PO4)2 H2O, ZnCO3, [ZnCl4]2-, [ZnCl3]-, Zn(OH)3-, ZnO22-, ZnO2- (Кабата-Пендиас А., Пендиас Х., 1989).
К числу наиболее сильно влияющих на химическое поведение цинка в почве свойств относятся рН почвенного раствора, содержание карбонатов, фосфатов, глинистых минералов, органического вещества, водных оксидов алюминия и железа (Громова Е. А., 1973; Ковальский В. В., Андрианова Г. А., 1970; Мамилов Ш. З., Саданов А. К., Илялетдинов А. Н., 1987).
Кислотно-щелочные условия оказывают непосредственное воздействие на состояние цинка в растворе и на почвенные факторы, от которых зависит пове-дение цинка. В кислой среде (до рН 3 – 4) цинк находится в виде двухвалентно-го катиона, с увеличением рН почвы до 6 – 8 преобладающей формой является малорастворимый гидроксид Zn(ОН)2. При рН = 8 в растворе появляются ани-онные формы [Zn(OH)3]-, [Zn(OH)4]2-, которые становятся преобладающими при рН более 10. В кислой среде адсорбция цинка связана с катионным обменом, в щелочной – с хемосорбцией, зависящей от наличия органических лигандов.
Закономерности распределения валового содержания и кислоторастворимых прочносвязанных форм микроэлементов в почвах Омского Прииртышья
Кроме зональных почв значительную долю объектов исследования пред-ставляли солонцы, а также солончаки и солоди. Разрезы солонцов закладывали на территории геоморфологических рай-онов: Ишим-Иртышской (АО «Голубковское» и «Центрально-Любинское» Лю-бинского района, ОПХ «Сосновское» Таврического района, АО «Малиновское» Тюкалинского района, с. Гвоздевка Москаленского района); Барабинской (АО «Измайловское» Калачинского района, АО «Красовское» и «Любимовское» Оконешниковского района), Омь-Иртышской (с. Давыдовка Омского района), Курумбельской равнин (АО «Красный Октябрь» Черлакского района). Исследованные солонцы были разнообразны по свойствам: различались по мощности надсолонцового горизонта, структуре солонцового горизонта, со-держанию обменного натрия, типу и степени засоления, гранулометрическому составу. Разрезы корковых и мелких солонцов в основном закладывали на це-лине, однако были и распаханные солонцы данных видов. Глубокие солонцы, как правило, были распаханы. Некоторые свойства солонцов приведены в при-ложении Ж. Общими чертами почв солонцового типа были резкая дифферен-циация профиля по распределению ила и физической глины, щелочная и силь-нощелочная среда, высокое содержание обменно-поглощенных натрия (до 18-45% ЕКО) и магния (до 20-45% ЕКО). Глубина залегания солевых горизонтов в профилях солонцов существенно варьировала. Тип засоления солонцов изме-нялся от сульфатно-содового и содово-сульфатного в центральной и южной ле-состепи до хлоридно-сульфатного в степной зоне.
Разрезы и скважины солодей закладывали на территории Омь-Иртышского междуречья (с. Давыдовка и ОАО «Племзавод Омский» Омского района), Ба-рабинской равнины (АО «Красовское» Оконешниковского района, АО «Измай-ловское» Калачинского района). Солоди формировались в колочных березовых лесах, различались по уровню гидроморфности, мощности дернового горизонта и содержанию гумуса. Реакция среды изменялась по профилям почв от слабо-кислой в верхней элювиальной части профиля до щелочной в нижних карбо-натных горизонтах. Солончаки в области занимают ограниченные площади по сравнению с со-лонцами и распространены по окраинам соленых озер, в ложбинах стока, бес-сточных понижениях. Разрезы солончаков были заложены в лесостепной зоне в районе Камышловской долины (Москаленский р-н, с. Элита), в степной зоне в долине озера Эбейты (Москаленский р-н, с. Новоцарицыно), в долине озера Байбике (Русско-Полянский район), в Курумбельской равнине (Черлакский р-н, АО «Красный Октябрь»). Тип засоления солончаков хлоридно-сульфатный, сульфатно-хлоридный и сульфатный, сильная аккумуляция солей наблюдалась в верхней части или по всему профилю (приложение Ж). Отбор почвенных образцов проводили из генетических горизонтов поч-венных разрезов по общепринятой методике. Одновременно проводили отбор растительных образцов, преимущественно в фазы колошения и цветения.
В почвенных образцах определяли содержание валового бора, кислоторас-творимых и подвижных форм марганца, меди, цинка, кобальта, молибдена, бо-ра. Валовое содержание бора определяли после сплавления почвы с содой при температуре 900 С в течение 1 часа (Аринушкина Е. В., 1961), подвижный бор извлекали кипящей водой по Бергеру и Труогу в модификации ЦИНАО с ко-нечным определением элемента колориметрическим методом с азометином-Н (ГОСТ Р 50688-94). Содержание кислоторастворимых форм марганца, меди, цинка и кобальта, близкое к их валовому количеству, устанавливали после взаимодействия с 5М HNO3 при температуре 100 С атомно-абсорбционным ме-тодом (РД 52.18.191-89).
Подвижные формы марганца, меди, цинка, кобальта экстрагировали из почвы 1н ацетатно-аммиачным буфером (ААБ) с рН 4,8 по Крупскому и Алек-сандровой в модификации ЦИНАО (ГОСТ Р 50683-94; ГОСТ Р 50685-94; ГОСТ Р 50886-94), конечное определение атомно-абсорбционным методом. Подвиж-ный молибден определен фотометрическим методом по Григгу в модификации ЦИНАО (ГОСТ Р 50689-94), экстрагент оксалатный буферный раствор с рН 3,3. В растительных образцах после сухого озоления при температуре 525±25 С определяли медь, марганец, цинк, железо и кобальт атомно-абсорбционным методом (ГОСТ 27998-88; ГОСТ 27997-88; ГОСТ 30692-2000), бор - колори-метрическим методом с азометином-Н (Методические указания…, 1971), каль-ций – трилонометрическим методом с флуорексоном. Подвижные формы марганца, меди и кобальта в почвах реперных участков южной тайги и северной лесостепи в ФГУ САС «Тарская» выполнены методом Пейве и Ринькиса с использованием индивидуальных экстрагентов (ГОСТ Р 50682-94; ГОСТ 50684-94; ГОСТ 50687-94).
Сопутствующие анализы почвы выполнены следующими методами: гумус по Тюрину в модификации Симакова с дополнениями Никитина; грануломет-рический состав пирофосфатным методом; рН водной суспензии почвы потен-циометрически; солевой состав водной вытяжки по ОСТ 46-52;
обменные катионы по Шолленбергеру с использованием 0,1 н. СН3СООNН4 и определением Са2+ и Мg2+ трилонометрическим, Na+ - пламеннофотометриче-ским методами; нитратный азот по Грандваль-Ляжу с дисульфофеноловой ки-слотой; подвижный фосфор по Дениже в модификации Малюгина и Хреновой, калий – на пламенном фотометре в вытяжке 0,5 н СН3СООН по Чирикову, в со-лонцах - по Мачигину. Анализы почв и растений проводили в ФГУ ЦАС «Ом-ский» и лаборатории кафедры почвоведения.
Для исследования содержания форм бора в почвах с разным его содержа-нием проведено 3 лабораторных опыта (1995, 2010 гг). Объектами исследова-ния являлись лугово-черноземная среднемощная среднегумусовая тяжелосуг-линистая почва и солонец лугово-черноземный корковый тяжелосуглинистый из Давыдовского стационара ОмГАУ Омского района.
Эколого-агрохимическая оценка содержания микроэлементов в растениях на почвах Западной Сибири
Большой теоретический и практический интерес представляет вопрос о формах микроэлементов в почве, степени их мобильности и доступности для питания растений. Важное значение имеет знание о количестве подвижных форм элементов в разных типах почв с целью разработки приемов применения микроудобрений. В результате преобразования минерального субстрата в процессе почвооб-разования формируется динамическая система соединений элементов, часть ко-торых представлена подвижными веществами. Содержание и формы подвиж-ных соединений соответствуют конкретной почвенно-геохимической обстанов-ке. К подвижным соединениям в составе твердых фаз почв относятся способ-ные к обмену ионы почвенного поглощающего комплекса, рыхлосвязанные со-единения, представленные легко- и среднерастворимыми солями и комплекса-ми. Подвижные химические вещества обусловливают возможность выполнения почвой ее основных экологических и агрохимических функций. Для извлечения подвижных соединений элементов из почвы используют различные реагенты, имитирующие растворяющее действие корней растений и природных вод на почву. Поэтому названия «подвижные» и «доступные для растений» нередко употребляются в качестве синонимов (Мотузова Г.В., 2009).
В то же время признано, что суждение о доступности элементов по дан-ным химического анализа почвы носит условный характер, т.к. их поглощение растениями определяется комплексом большого количества факторов: свойст-вами и составом почвы, физиологическими особенностями растений, фазой их развития, метеорологическими условиями и др. В России для экстракции подвижных форм микроэлементов из почв ис-пользовались индивидуальные экстрагенты, предложенные на основе экспери-ментальных исследований Я. В. Пейве и Г. Я. Ринькисом: для Zn – 1н KСl, Cu – 1н НСl, Mn – 0,1н H2SO4, Co –1н HNO3. Подвижный В по методу Бергера и Труога извлекается из почвы кипящей водой, Мо – оксалатным буферным рас-твором с рН = 3,3 (метод Григга). Критериями выбора растворителей для опре-деления подвижных форм микроэлементов являлись относительно большое ко-личество элемента, переходящее в вытяжку при взаимодействии с почвой и вы-сокая корреляция между содержанием микроэлементов в почве и растениях (Ринькис Г. Я., 1963). Выбранные вытяжки были рекомендованы для почв под-золистой зоны. Однако в агрохимической практике и научных исследованиях они применялись и в других регионах, в т.ч. лесостепной и степной зонах За-падной Сибири. В то же время Г. Я. Ринькис считал, что для карбонатных и щелочных почв такие вытяжки менее пригодны. В первую очередь это относит-ся для определения Zn и Mn. Исследования авторов по выявлению группового экстрагента, в качестве которого испытывался 0,1н CH3COONH4 с рН = 5,0, об-ладающий высокой буферностью, показали, что он в большей степени подхо-дит для определения этих элементов, чем 1н KСl и 0,1н H2SO4. В то же время данный реагент мало пригоден для определения Cu и Со, т.к. в вытяжку пере-ходит незначительное количество этих микроэлементов.
В 1964 г. Н. К. Крупский и А. М. Александрова рекомендовали к примене-нию метод извлечения подвижных соединений марганца, меди, цинка, бора и кобальта из почв с помощью 1н CH3COONH4 с рН = 4,8. Экспериментальные исследования показали, что экстрагент обладает высокой буферной емкостью и извлекает из почв разного генезиса значительное количество подвижных форм микроэлементов. В настоящее время для определения подвижных Mn, Zn, Co, Cu агрохимической службой, в том числе в Омской области, широко применя-ется метод Крупского и Александровой в модификации ЦИНАО (ГОСТ 50683-94; ГОСТ 50685-94; ГОСТ 50686-94). Для почв северной части области при оп-ределении подвижных марганца, меди, кобальта, цинка рекомендованы методы Пейве и Ринькиса (ГОСТ Р. 50682-94; ГОСТ Р. 50684-94; ГОСТ Р. 50687-94).
За рубежом для определения подвижных форм микроэлементов использу-ют различные экстрагенты: хелатообразователи ДТПА, ЭДТА для металлов, для извлечения бора растворы СаСl2, ацетата аммония, маннитола, сорбитола, органических кислот (Byron V., H. John H., 1994; Raza M. et al., 2002; Sinha M. K., 1977). По мнению некоторых авторов, прогноз содержания в почвах подвижных соединений на основе эмпирических оценок ненадежен (Ковда В. А., 1973; Мо-тузова Г. В., 2009). Необходимо опираться на теорию процессов, протекающих в почвенной гетерогенной системе на границе раздела фаз, где формируются подвижные соединения химических элементов. В качестве интенсивного пока-зателя подвижности элемента рассматривается концентрация элемента в поч-венном растворе или близких по составу в них вытяжках из почв. Экстенсив-ным показателем подвижности являются потенциально подвижные соединения, входящие в состав твердой фазы почвы, находящиеся в равновесии с элемента-ми почвенного раствора. Методы извлечения подвижных соединений микро-элементов из почв должны соответствовать представлениям о механизмах связи элементов в гетерогенной системе. Не смотря на определенную степень условности отождествления количе-ства микроэлементов, переходящих в ту или иную вытяжку с содержанием их подвижных форм в почве и количеством, доступным для растений, информация о содержании подвижных форм микроэлементов, обеспечивающих основные эколого-агрохимические функции, в разных типах почв, является необходимой для характеристики их запасов и прогнозов уровней питания растений.
Влияние высоких концентраций бора на поступление его в растения и их продуктивность
Как правило, наибольшая аккумуляция бора наблюдается в верхних соле-вых горизонтах или в средней части профиля. В почвообразующей породе кон-центрации микроэлемента более низкие.
Распределение бора в солончаках обусловлено спецификой их геохимиче-ского режима и преобладанием процессов аккумуляции в условиях слабого промывания профиля, интенсивного физического испарения влаги с поверхно-сти почв и поступления растворимых солей и соединений микроэлемента со стоком с окружающих территорий.
В отличие от солончаков, занимающих ограниченные площади в почвен-ном покрове области, солонцы развиты более широко, их площадь в Омской области составляет 1,3 млн. га. Результаты исследований показали, что солонцы имеют наиболее высокий уровень содержания валового и подвижного бора среди ранее рассмотренных почв (таблица 40, приложение Э). Среднее содер-жание валового бора в почвообразующих породах солонцов составляло 73,0, подвижного – около 11 мг/кг.
На долю подвижного бора в них в среднем приходится в горизонтах А1 13,6 %, в горизонтах В – 19,2 %, в горизонтах Ск – 14,7 %. Для профиля солон-цов характерен элювиально-иллювиальный тип распределения элемента. Наименьшие концентрации бора находятся в гумусово-элювиальных гори-зонтах, максимальные – в иллювиальных солонцовых и подсолонцовых, иг-рающих роль физико-химических сорбционных и механических барьеров бла-годаря высокому содержанию в них ила, высокой их плотности и низкой водо-проницаемости.
На содержание и распределение бора в солонцах влияет интенсивность развития солонцового процесса. В связи с этим солонцы разных видов различа-лись по содержанию и характеру распределения элемента (рисунок 15, прило-жение Я). Наиболее высокие концентрации микроэлемента находятся в профи-ле солонцов корковых, в остальных видах солонцов содержание элемента более низкое. В корковых солонцах высокие концентрации микроэлемента были со-средоточены уже в самой верхней части профиля (4,4 – 37,2 мг/кг в слое 0 – 40 см).
Сильное варьирование содержания подвижного бора в солонцах, а также солонцеватых и солончаковатых лугово-черноземных почвах, залегающих в комплексе с ними, определялось влиянием различных факторов (таблица 41). Корреляционный анализ связей содержания элемента с рядом свойств почв выявил наиболее тесную зависимость параметра от валового количества эле-мента и рН (уравнения 106, 107), что связано с возрастанием мобильности со-единений бора в щелочной среде. Более слабая связь существовала между кон-центрациями микроэлемента и содержанием фракций ила и физической глины (уравнения 103, 104). Несмотря на то, что взаимосвязь миграции боратов с дру-гими легкорастворимыми солями очевидна, зависимость содержания подвиж-ного бора от степени засоления почв солонцовых комплексов оказалась суще-ственной, но слабой, что связано с геохимическими свойствами соединений бо-ра (уравнение 105).
С одной стороны, бор является легкоподвижным водным мигрантом и ак-кумулируется в почвах вместе с солями. С другой стороны, бор накапливается на сорбционных барьерах, обусловленных наличием высокодисперсных мине-ральных соединений: глинистых минералов, оксидов алюминия и железа. С этим связано высокое содержание микроэлемента в иллювиальных горизонтах солонцов, в которых нередко степень засоления бывает слабой. Кроме того, ми-грационная способность соединений бора и легкорастворимых солей различа-ется. Так, отмечается, что бораты по сравнению с содой, сульфатами, а тем бо-лее хлоридами, вымываются из почвы более медленно (Липкинд И. М., Алиха-нова О. И., 1973).
Нами было выявлена существенная зависимость содержания бора от типа засоления солонцов. Установлено, что солонцы содово-сульфатного и сульфат-но-содового типов засоления содержат значительно более высокие концентра-ции элемента по сравнению с нейтральными хлоридно-сульфатными и суль-фатно-хлоридными солонцами (таблица 42). Среднее содержание микроэле-мента в метровом слое солонцов нейтрального типа засоления было почти вдвое ниже, чем в солонцах, в засолении которых принимала участие сода. Таблица 42 – Содержание подвижного бора в слое 0-100 см солонцов раз-ных типов засоления (t05 = 2,2; tф = 5,5), 1995 г.
Сульфатно-хлоридный,Хлоридно-сульфатныйСодово-сульфатный, сульфатно-содовый,содовый 2839 9,5±0,519,3±1,7 8,1-11,111,2-23,6 12,123, Зависимость между содержанием подвижного бора и суммой ионов СО3 2- +НСО3- была подтверждена и корреляционным анализом (таблица 42). Соглас-но уравнению 108 увеличение содержания соды (СО3 2- +НСО3- ) в почве на 1 мг-экв/100 г усиливало степень борного засоления на 1,71 мг/кг. Влияние типа засоления солонцов на содержание в них подвижного бора, вероятно, осущест-вляется через рН среды. В профиле солонцов, содержащих соду, рН варьировал от 8,5 до 10,3, в солонцах нейтрального типа засоления – от 7,5 до 8,5, что обу-словливало неодинаковую степень растворимости соединений бора при разном химизме засоления.
Похожие диссертации на Закономерности распределения и взаимосвязи микроэлементов в системе почва-растение в условиях юга Западной Сибири
