The transformation of potassium and ammonium forms in the soilagrocenoses.pdf ВведениеЭффективное плодородие почвы, в целом, и режим элементов-биофилов вней, в частности, во многом определяются двумя взаимосвязанными факто-рами - общим запасом форм элементов в почве и возможностью их переходаиз одного почвенного состояния в другое. Эти трансформации заключаются вспособности ионов занимать различные по прочности связи с почвеннойтвердой фазой позиции и относятся к противоположно направленным обра-тимым процессам - фиксации и мобилизации. Изучение специфики процес-сов трансформации форм элементов минерального питания растений в раз-личных почвах создает фундамент для научно обоснованной оценки и регу-лирования почвенного плодородия.Основную часть почвенного фонда минерального азота составляет аммо-ний, который, имея близкие ионные размеры с калием, может активно конку-рировать с ним в почвенных процессах фиксации-мобилизации [1-3]. Прове-денные исследования показали неоднозначный характер взаимодействия ка-лия и аммония при их трансформации в почвах, широкое варьирование емко-сти фиксации данных катионов в различных почвах и важность учета этихпроцессов как в агрохимическом, так и в экологическом аспектах.Процессы трансформации отдельно для форм калия или аммония в почвахЗападной Сибири достаточно подробно изучались в ряде работ [4-6]. Однакоисследований взаимодействия этих катионов при их фиксации почвами ре-гиона практически не проводилось.Цель исследования - установить специфику трансформации и взаимо-влияния калия и аммония при их фиксации почвой агроценоза.Материалы и методики исследованияОбъектом исследования послужила серая лесная среднесуглинистая почвасо следующими характеристиками: содержание гумуса - 4,9%, физическойглины - 30,8%, емкость катионного обмена - 21,1 мг-экв./100 г; валовое со-держание азота - 0,22%, фосфора - 0,15%, калия - 1,5%. Анализ минералоги-ческого состава показал, что фракция физического песка состоит из кварца,полевого шпата и амфиболов, фракция физической глины содержит (в убы-вающем порядке) гидрослюду мусковитового типа, хлорит, каолинит, верми-кулит и дисперсный смектит. Почва является типичной для лесостепной зо-ны, расположена на высокой террасе р. Бердь (Искитимский р-н, Новосибир-ская обл.); территория хорошо дренирована, высота ее поверхности над уре-зом реки составляет 35-45 м.На целинном участке данной почвы в 1988 г. был заложен стационарныйполевой опыт по изучению изменения плодородия и физико-химическихсвойств почвы в условиях агроценоза [5], который продолжается в настоящеевремя. В 2009 г. были отобраны и проанализированы (табл. 1) образцы почвыиз наиболее контрастных вариантов полевого опыта - без удобрений, NP иNPK. За годы проведения опыта в варианте NP сложился бездефицитный ба-ланс азота, а в варианте NPK - слабодефицитный азотный баланс и положи-тельный калийный; во всех остальных случаях баланс данных элементов-биофилов был сильнодефицитным.Т а б л и ц а 1Содержание и соотношение форм калия и аммония в почве целиныи длительного полевого опыта (слой 0-20 см)Содержание (мг/100 г почвы), Варианты опытасоотношение Целина Безудобрений NP NPKНСР05Необменный калий, мг К 120 100 108 140 6,2Обменный калий, мг К 11,7 8,9 8,9 18,2 1,5К необменный : К обменный 10,3 11,2 12,1 7,7Фиксированный аммоний,мг N-NH4 16,5 15,1 14,5 21,0 1,4Обменный аммоний, мг N-NH4 1,2 0,9 1,4 0,9 0,2NH4 фиксированный : NH4обменный 13,8 16,8 10,4 23,3Изучение фиксирующей способности почвы проводили в лабораторномопыте при выдерживании в течение 30 сут почвенных образцов с калийными(KCl) и/или аммонийными (NH4Cl) солями в режиме попеременного намачи-вания дистиллированнойных и пропашных культур в интенсивных технологиях [5]. Схема лаборатор-ного опыта показана ниже в табл. 2, повторность 4-кратная; расчет результа-тов проводили относительно соответствующих контрольных почвенных об-разцов, смачиваемых только дистиллированной водой и выдерживаемых ваналогичном режиме.Количество необменно поглощенного почвой калия и аммония определя-ли прямыми методами: необменный калий - в 1 М растворе HNO3 с кипяче-нием, фиксированный аммоний - методом прокаливания [7].Результаты исследования и обсуждениеРезультаты агрохимического анализа показали, что в целом уровень об-менного и фиксированного аммония в целинной серой лесной почве на поря-док меньше, чем уровень соответствующих калийных форм (табл. 1); вероят-но, это связано как с более активным вовлечением аммонийного азота в био-логический круговорот, так и с особенностями минералогического почвенно-го состава. Обращает на себя внимание тот факт, что эволюционно сложив-шиеся в почве пропорции между формами этих катионов (необменная : об-менная), несмотря на заметно различающиеся абсолютные их значения, при-мерно одинаковы и составляют около 10 для калийных форм и 14 - для ам-монийных.В почве агроценоза соотношение между необменным и обменным калиемизменялось в целом незначительно - от 8 до 12, несмотря ни на существен-ный некомпенсируемый вынос этого элемента из почвы в одних вариантахопыта (без удобрений и NP), ни на большое дополнительное поступлениекалия в почву с удобрениями в других (NPK). Это свидетельствует о высокойбуферной способности почвенной системы калийсодержащих позиций, обу-словленной взаимосвязью всех форм почвенного калия, их способностью ктрансформации.При потреблении растениями калия почвенного раствора его уровеньстремится к восстановлению за счет наиболее подвижных катионов обменнойформы; содержание обменного калия, при его снижении, восполняется доисходного катионами, перешедшими из необменного состояния. Процессы˜ЩьЕќвнутрипочвенного выветриванияного элемента поглощается необменно. На истощенных почвах вносимый ка-лий избирательно распределяется по почвенным позициям начиная с наиболееселективных к элементу: вначале занимаются все незаполненные необменныепозиции, затем обменные - с меньшей энергией связи. Трансформация калия впочве, как при поступлении элемента с удобрениями, так и при его выносе сурожаем, направлена на сохранение и поддержание первоначального естест-венного соотношения между почвенными калийными формами.Соотношение между формами аммония в почве агроценозов варьировалов довольно широких пределах - от 10 до 24 (см. табл. 1). В почве экстенсив-ного агроценоза (без применения удобрений) отмечалось общее снижениесодержания аммонийных форм, а соотношение между ними лишь несколькоувеличилось по сравнению с целиной. При возрастании антропогенной на-грузки на почву агроценоза, посредством интенсивного использования мине-ральных удобрений, пропорции между почвенными формами аммония явнонарушились. В отличие от калия изменение содержания различных формпочвенного аммония могло проходить разнонаправленно: при сниженииуровня фиксированного аммония возрастало количество обменного, и наобо-рот, значительный рост содержания необменной формы аммония сопровож-дался снижением в почве уровня обменной формы этого катиона. Следова-тельно, векторы трансформации форм аммония в почве могут иметь одно-временно разнонаправленный характер, а вся почвенная аммонийная системаявляется гораздо менее устойчивой, по сравнению с калийной, к воздействиюразличных внешних факторов.Таким образом, почвенная калийная система довольно стабильна и «са-модостаточна» - в процессе трансформации форм калия в почве опреде-ляющими являются лишь масштабы поступления или отчуждения этого ка-тиона, тогда как при трансформации форм аммония в почве решающее зна-чение, как мы полагаем, имеет и почвенный уровень конкурирующего ка-тиона - калия.Специфика взаимовлиянияотносительном выражении, несмотря на то что исходное содержание в нейфиксированного аммония уже намного превышало целинный уровень. Приодинарной дозе аммонийного азота в этом случае фиксировалось около 8%внесенного катиона; повышение дозы вело к росту абсолютного количествапоглощенного аммония, процент фиксации менялся мало. Совместное внесе-ние сопоставимых доз азотных и калийных удобрений в почвенные образцыиз вариантов с предшествующим длительным дефицитным калийным балан-сом (без удобрений и NP) сопровождалось значительной интенсификациейпроцесса фиксации аммония; при одинарной дозе поглощалось до 10 мг NNH4/кг почвы, или около 8 % внесенного количества (табл. 2).Т а б л и ц а 2Фиксация калия и аммония почвой агроценозов с различным балансом К и NПочва из варианта полевого опытаБез удобрений NP NPKЗафиксировано в лабораторном опытеВариантлаборатор-ного опыта(внесено) мг/100г% отвнесен-ной дозымг/100г% отвнесен-ной дозымг/100г% отвнесен-ной дозыАммонийN1 0,3 2,6 0,3 2,2 1,1 8,5N2 1,3 5,3 1,1 4,2 2,0 8,1N4 2,0 4,1 2,2 4,5 3,6 7,2N1 + K1 1,0 8,2 1,0 8,1 0,7 5,6N2 + K2 2,0 7,9 1,9 7,8 1,4 5,4N4 + K4 3,2 6,5 3,1 6,2 2,1 4,2НСР 05 0,17 0,17 0,21КалийK1 8,1 65,2 8,5 68,0 5,3 42,4K2 16,1 64,4 17,4 69,6 9,3 37,2K4 32,6 65,2 36,4 72,8 13,7 27,4K1 + N1 8,4 67,2 8,2 65,6 4,3 34,4K2 + N2 14,6 58,4 14,9 59,6 7,6 30,4K4 + N4 16,6 33,2 16,7 33,4 12,0 24,0НСР 05 1,9 1,8 1,2В этой связи можно предположить, что вряд ли ионы калия каким-то об-разом стимулируют процесс проникновения или внедрения катионов аммо-ния на специфические позиции кристаллитов независимо от степени их за-полненности. Вероятнее, калий блокирует выход, препятствует переходу ка-тионов аммония из необменного в обменное состояние, ингибируя, такимобразом, его поглощение растениями и нитрификацию. В присутствии доста-точного количества ионов калия равновесие в системе «фиксация - десорб-ция» аммония явно смещено в сторону фиксации.Отметим, что количество аммония, зафиксированного истощенной по ка-лию почвой (варианты «Без удобрений» и «NP») при одновременном внесе-нии в нее азотных и калийных удобрений в лабораторном опыте (см. табл. 2),практически полностью соответствовало количеству аммонийного азота, не-обменно поглощаемого почвой с высоким калийным уровнем (NPK) при раз-дельном «одностороннем» внесении тех же доз азотных удобрений. При этомнапомним, что исходные уровни фиксированного аммония в этих почвах -примерно 150 и 210 мг/кг (см. табл. 1) - существенно различались и, следова-тельно, в первом случае, как представляется, имелись значительные дополни-тельные возможности для необменного поглощения этого катиона, которые,однако, не были в полной мере реализованы. Очевидно, процесс формирова-ния высокого уровня фиксированного аммония в почве лимитируется време-нем, так как значительный фонд этого катиона в почве варианта NPK сло-жился в результате многолетнего применения удобрений в полевом опыте, апри разовом, однократном их внесении поглощение аммония данной почвойво всех случаях не превышало 8-10% от внесенной дозы.Фиксация аммония почвой варианта NPK при совместном внесении калия иаммонийного азота заметно снизилась по сравнению с отдельным использовани-ем азотного удобрения, что связано с исходно высоким, как уже отмечалось, со-держанием этих катионов в почве данного варианта и, соответственно, запол-ненностью селективных позиций, вероятно, близкой к предельной.Количество необменно поглощаемого почвой калия удобрений в десяткираз превышало количество фиксируемого аммония при сопоставимых дозахих внесения, что вполне соответствовало естественному природному уровнюсодержания форм этих катионов в исходной целинной почве (см. табл. 1, 2).При внесении только калийных удобрений в почвы агроценозов с длитель-ным дефицитным балансом калия необменно поглощалось около 70% вне-сенного количества катиона независимо от дозы (в изучаемом интервале).Абсолютное количество зафиксированного почвой калия при этом законо-мерно возрастало с повышением вносимых доз удобрений с 8 мг до 32-36 мг/100 г, демонстрируя высокую емкость фиксации почвы в отношенииэтого катиона. Насыщение почвенного поглощающего комплекса калием придлительном положительном калийном балансе в агроценозе (NPK) приводилок заметному снижению интенсивности процесса фиксации калия, особенносущественного при внесении в почву повышенных доз этого катиона. Почваварианта NP необменно поглощала калия в несколько раз больше, чем почваNPK. Очевидно, что емкость поглощения почвы не беспредельна и по меренасыщения селективных почвенных позиций специфическими катионами ихфиксация закономерно снижается.Совместное внесение одинарных и двойных доз калийных и аммонийныхудобрений в почвы с относительно истощенным фондом этих катионов малоотразилось на масштабах необменного поглощения калия; в целом, количест-во зафиксированного почвой калия в этих случаях незначительно снизилось(не более 10 процентных пунктов) по сравнению с отдельным внесением ка-лийных удобрений. Лишь при одновременном внесении в почву очень высо-ких (4-кратных) доз калийных и азотных удобрений интенсивность фиксациикалия резко снизилась (в 2 раза) относительно вариантов с раздельным вне-сением аналогичных его доз. При этом данные почвенные образцы (варианты«Без удобрений» и «NP») имели относительно низкое исходное содержаниефиксированных аммония и калия, что, казалось бы, предоставляло дополни-тельные возможности для усиленного поглощения этих катионов. На почве свысоким исходным содержанием необменных калия и аммония дополни-тельное (к калийным) внесение аммонийных удобрений практически невлияло на фиксацию калия; разница в количестве поглощенного калия междувариантами с раздельным его внесением и совместным с азотом для соответ-ствующих доз не превышала 1-2 мг/100 г почвы (см. табл. 2).В целом, можно сказать, что исследуемая серая лесная среднесуглинистаяпочва обладает высокой фиксирующей способностью по отношению к калиюи аммонию. Длительное применение сбалансированных доз минеральныхудобрений в агроценозах способствует существенному возрастанию почвен-ного фонда необменного калия и фиксированного аммония по сравнению сцелинным аналогом; при этом содержание в почве необменного калия, какестественного, так и поглощенного из удобрений, многократно превосходитпочвенный уровень фиксированного аммония. В процессе фиксации почвойкалия и аммония отмечаются общие закономерности: с увеличением дозывносимого катиона его абсолютное количество, поглощаемое почвой, возрас-тает, а процент фиксации относительно внесенной дозы, как правило, снижа-ется; по мере роста содержания в почве определенного катиона и, соответст-венно, заполнения селективных почвенных позиций, интенсивность его фик-сации почвой ослабевает.С точки зрения практического земледелия следует заметить, что исполь-зование аммонийных форм азотных удобрений на истощенных по калиюпочвах заметно снизит их эффективность ввиду ослабленного закрепления впочве катиона аммония, способствующего его нерациональному потребле-нию растениями и возможным потерям. В случае необходимости оптимиза-ции почвенного калийного состояния и применения калийных удобрений ос-новная часть калия, независимо от баланса азота в агроценозе, после внесе-ния будет необменно поглощаться почвой, тем самым снижая вероятные по-тери, и впоследствии в течение вегетацииФиксация аммония почвой в очень большой степени зависит от ее калий-ного состояния. В агроценозах с истощенным почвенным фондом калия поч-ва практически не фиксирует аммоний вносимых удобрений; его уровень впочве, даже при бездефицитном балансе азота, падает ниже целинного донедоступного растениям минимального «мертвого» запаса. В лабораторныхусловиях, при отсутствии выноса катиона растениями, почва с низким со-держанием необменных калия и аммония фиксирует не более 2-2,5% вноси-мого с удобрениями аммонийного азота (при обычных, практически реаль-ных дозах). При повышенном уровне калия в почве, независимо от того, былли этот фон сформирован ранее или калий поступает одновременно с азот-ными удобрениями, фиксирующая способность почвы в отношении аммониязначительно возрастает - до 8-10% от вносимой дозы. С повышением дозсовместно вносимых калия и аммония фиксация почвой последнего значи-тельно увеличивается.Фиксация почвой калия при относительно невысоких дозах вносимыхудобрений мало зависит от присутствия аммонийного катиона. Лишь приочень высоких дозах аммония, вносимых в истощенную почву совместно скалийными удобрениями, процесс фиксации калия резко ослабевает - почти в2 раза по сравнению с отдельным внесением аналогичных доз калия. По-видимому, конкурирующая способность аммонийного катиона относительнокалия по внедрению на необменные позиции в почвенном поглощающемкомплексе может отчетливо проявляться при избыточных («теоретических»)дозах вносимого аммонийного азота; только в случае, когда количество ам-мония в почве многократно возрастает по сравнению с естественным почвен-ным соотношением между этими катионами, аммоний может вытеснить за-метную часть ионов калия со специфических позиций.

Скачать электронную версию публикации