The change of mineral nitrogen and potassium forms content in the soil profile of agrocenoses.pdf Азот и калий - важнейшие элементы минерального питания растений, обеспеченность которыми во многом определяет эффективность и устойчивость функционирования агроэкосистем. Из многообразных соединений почвенного азота непосредственно усвояемыми для растений являются, главным образом, его минеральные формы - нитраты и аммоний, причем последний может находиться в почве как в обменном, так и в необменном состоянии. Необменный, или фиксированный, аммоний составляет до 90% почвенного фонда минерального азота и, являясь относительно мало изученной формой, требует к себе наиболее пристального внимания [1, 2]. Анализ литературных данных показал неоднозначное влияние сельскохозяйственного использования почв на содержание в них фиксированного аммония. Сравнение целинных и длительно обрабатываемых (до 60 лет) почв в исследованиях [3, 4] выявило значительное снижение (до 20-27%) содержания необменного аммония в последних, причем в ряде случаев внесение удобрений, парование или выращивание растений принципиально не влияли на этот процесс. По другим данным [5-7], распашка и эксплуатация почвы в условиях агроценоза способствовала накоплению почвенных запасов фиксированного аммония. Сопоставление же окультуренных почв с их исходными целинными аналогами в работе [8] не выявило каких-либо различий между ними по содержанию необменного аммония. Некоторыми авторами [3, 9 и др.] отмечалась раз-нонаправленность процессов изменения запасов фиксированного аммония в различных типах автоморфных почв при их окультуривании даже в пределах одного региона. В ряде исследований показано существенное значение биологических особенностей выращиваемых культур при усвоении почвенных запасов фиксированного аммония. Так, в длительных опытах [10] пшеница использовала азот удобрений и почвы в основном из пахотного слоя, тогда как кукуруза усваивала минеральный азот с глубины до 180 см [11]. Важным фактором, влияющим на трансформацию фонда необменного аммония в почве, является ее калийное состояние. Аммоний, имея близкие ионные размеры с калием, непосредственно конкурирует с ним в почвенных процессах; взаимосвязь этих катионов проявляется как при их фиксации почвой, так и при мобилизации [8, 12-14]. В ряде исследований показано блокирующее действие повышенного уровня калия в почве на переход фиксированного аммония в обменное состояние, приводящее в итоге к уменьшению выноса азота растениями и снижению их продуктивности [1, 15 и др.]. В целом анализ литературных данных показал значимость фиксированного аммония, наряду с другими минеральными формами азота, для эффективного развития агроэкосистем. Выявлен ряд факторов, влияющих на функционирование почвенного фонда необменного аммония, среди которых калийное состояние почвы занимает важное место. Однако влияние режима калия в агроценозе на трансформацию пула фиксированного аммония по профилю почвы в условиях длительных полевых опытов изучено явно недостаточно. Калий занимает лидирующие позиции среди других элементов-биофилов по выносу с урожаями культур, тем не менее мониторингу калийного состояния почв агроценозов уделяется наименьшее внимание. В обоснование этого феномена обычно приводится тот факт, что основные пахотные почвы содержат довольно высокие запасы валового калия, а его распределение по почвенному профилю, в отличие, например, от такового для азота или фосфора, достаточно равномерное. Однако при этом оценка имеющегося в почвах фонда доступного для растений калия и вклада различных почвенных горизонтов в этот фонд не всегда адекватна. Исследованиям изменений содержания форм калия по профилю почв агроценозов посвящен целый ряд работ [16-28 и др.]. Часто отмечается связь между распределением калия удобрений по почвенному профилю и гранулометрическим составом почв. Так, на легких почвах миграция калия наблюдалась до 100 см и более, на среднесуглинистых - до 60, на тяжелосуглинистых -до 40 см [17-19]. При систематическом применении удобрений в опытах на различных типах почв содержание подвижного калия возросло по всему метровому профилю почвы [19-20]. В других же исследованиях на разных почвах весь внесенный с удобрениями калий концентрировался в верхнем почвенном слое [21-25]. По вопросу участия различных почвенных горизонтов в обеспечении растений калием в литературе приводятся также неоднозначные данные. В ряде исследований длительное экстенсивное использование почв в агроценозах привело к снижению в них содержания обменного калия до глубины 100 см [18, 24], в других -до глубины 50-80 см [25]. Многолетнее же выращивание культур в полевом опыте на черноземной почве привело к истощению запасов обменного калия, прежде всего в слое 0-15 см [26]. В целом можно сказать, что имеющиеся литературные данные по изменению запасов калия по профилю почв агроценозов достаточно противоречивы. Вероятно, это связано с различиями в минералогическом и гранулометрическом составе изучавшихся почв, а также варьированием доз вносимого калия и урожайности 202 культур. Остается дискуссионным и важный вопрос о степени участия подпахотных горизонтов почвы в снабжении калием выращиваемых культур. Одни авторы отводят этим горизонтам едва ли не решающую роль [27 и др.], другие считают их вклад незначительным [28 и др.]. Ясность же в этом вопросе необходима для рационального регулирования калийного состояния пахотных почв. В этой связи целью наших исследований было изучение в длительных стационарных полевых опытах влияния баланса калия и азота в агроценозах на изменение содержания форм минерального азота, прежде всего фиксированного аммония, а также калия в профиле почвы. Объекты и методы исследования фосфорные удобрения из расчета 100%-ной компенсации выноса элементов планируемым урожаем выращиваемой культуры); NP + К5о% (калий в дозе 50% от выноса планируемым урожаем); NP + Кюо%. Повторность в опытах четырехкратная. Удобрения в форме Naa, Рсд и Кх вносили ежегодно весной перед посевом семян или высадкой рассады. Содержание форм калия и азота в образцах почвы, отобранных почвенным буром из различных слоев до глубины 1 м (0-20, 20-40, 40-60, 60-80 и 80-100 см), определяли следующими методами: легкообменный калий - в вытяжке 0,0025 М раствора СаС12, обменный К - 1 М CH3COONH4, необменный К - 1 М HN03, нитратный азот - на иономере, обменный аммоний - с реактивом Несслера, фиксированный аммоний - методом прокаливания [29]. Стационарные полевые опыты по изучению трансформации почвенного плодородия в агроценозах были заложены весной 1988 г. на целинной серой лесной среднесуглинистой почве (Новосибирская обл., Иски-тимский р-н) со следующими характеристиками: содержание гумуса - 4,9%, емкость катионного обмена -21,1 мг-экв/100 г, количество физической глины -30,8%. На одном участке почвы выращивали сначала зерновые культуры в севообороте, а в последние годы -кукурузу (зерновой агроценоз), рядом на другом -овощные культуры и картофель (овощной агроценоз) [16]. Кроме того, небольшой участок почвы перманентно находился в состоянии многолетнего чистого пара, без растений и удобрений. В опытах учитывали и отчуждали с делянок как основную, так и побочную продукцию выращиваемых культур. Схема опытов включает в себя варианты с различным балансом азота и калия; в данном сообщении рассматриваются наиболее контрастные варианты: контроль - без удобрений; фон - NP (вносили азотные и Результаты и их обсуждение Наивысшая продуктивность агроценозов в опытах отмечалась при сбалансированном минеральном питании растений (вариант NPK - табл. 1). В варианте NP существенным лимитирующим фактором являлся сильный дефицит калия. Следует отметить, что «одностороннее» азотно-фосфорное удобрение культур не способствовало значительной дополнительной мобилизации почвенного калия - его вынос растениями в вариантах «контроль» и NP был практически одинаковым. Тем не менее вынос и калия, и азота из почвенных запасов с урожаями выращиваемых культур за время проведения опытов составил значительную величину. При внесении возрастающих доз калия его вынос растениями увеличивался, тогда как вынос азота, несмотря на рост урожайности, оставался примерно на одном уровне, что связано с повышением эффективности использования азота культурами при сбалансированном питании. Общий урожай культур и баланс азота и калия в агроценозах за 1988-2008 гг. Таблица 1 ПоказательБез удобренийNPNPK50%NPK100% Овощной агроценоз Общий урожай, ц к.е./га1691195626802820 Вынос N, кг/га1940259032503200 Поступление N, кг/га-258025802580 Баланс азота, кг/га-1940-10-670-620 Вынос К, кг/га1616168626933442 Поступление К, кг/га--24484896 Баланс калия, кг/га-1616-1686-245+1454 Зерновой агроценоз Общий урожай, ц к.е./га1131132915571638 Вынос N, кг/га2333299034513559 Поступление N, кг/га-200020002000 Баланс азота, кг/га-2333-990-1451-1559 Вынос К, кг/га1982216127393110 Поступление К, кг/га--14682936 Баланс калия, кг/га-1988-2161-1271-174 Различия в обеспеченности растений элементами питания в вариантах опытов, отразившиеся на продуктивности выращиваемых культур, обусловили варьирование содержания подвижных форм минерального азота в почвенном профиле (табл. 2). Содержание нитратного азота в пахотном слое почвы контрольного варианта существенно снизилось по сравнению с парующимся участком, достигнув уровня, явно лимитирующего продуктивность культур; при этом количество нитратов в подпахотных слоях осталось практически на уровне целины и пара. Внесение азотных удобрений в условиях сильнодефицитного баланса калия привело 203 к существенному накоплению нитратного азота по всему обследуемому почвенному профилю, создавая предпосылки для миграции нитратов в еще более глубокие слои почвы. Сбалансированное внесение удоб- рений способствовало эффективному использованию растениями элементов питания и обеспечило содержание нитратного азота во всех почвенных слоях на уровне парующегося участка. Таблица 2 Изменение содержания форм минерального азота в профиле почвы агроценозов в длительных стационарных опытах, мг N/ кг почвы Слой почвы, смЯСР/,с 0-20 | 20-40 | 40-60 | 60-80 | 80-10005 Нитратный азот Целина6,53,02,62,01,81,1 Пар21,06,83,22,92,43,8 Без удобренийSL0 5,0М 3,7ш 2,92J2 2,519 2,31А 1,1 NP43,2 38,5Ц5 27,619,0 17,3ПА 14,3Ц8 15,7§1 7,7 NPK50O/o21,5 22,013,3 13,648 7,08,56^5 4,941 5,3 NPK100%17,0 15,75,5 8,542 4,63,72Л 3,711 5,1 НСР0511.8 12,011 7,15Л 7,311 7,019 5,5 Обменный аммонийный азот Целина11,51,71,51,01,00,9 Пар8,81,41,31,41,00,9 Без удобрений8,5 8,314 3,111 2,112 1,712 2,1Li 1,1 NP1М 11,55,611 4,718 2,6Ш 2,91А 1,3 NPK50O/o8^5 8,3ш 3,8М 2,912 1,910 2,01Л 1,5 NPK100%8,7 8,2ш 3,312 3,016 2,014 2,2Li 1,7 НСР0511 1,8и. 1,7Ы 1,81А 1,21А 1,2 Необменный аммонийный азот Целина16518819221517827 Пар16418219522117629 Без удобрений151 155182 139187 171211 145177 14922 24 NP145 154195 150191 178232 152210 17332 25 NPK50O/o209 190190 150197 211225 187178 17732 NPK100%210 215192 156215 214230 196175 18031 37 НСР0528 3211 1918. 2221 2523 21 Примечание. Над чертой - овощной агроценоз, под чертой - зерновой агроценоз. Содержание обменного аммония в профиле почвы опытов изменилось в гораздо меньшей степени, по сравнению с нитратами, демонстрируя стабильность и довольно слабую диагностическую информативность этого показателя. Лишь в вариантах с «односторонним» внесением азотных удобрений уровень обменного аммония в верхних слоях почвы несколько увеличился относительно других вариантов опытов (табл. 2). Следует отметить, что биологические особенности выращиваемых культур (кукуруза и картофель), несмотря на существенные отличия в поглотительной способности их корневых систем, не отразились на распределении нитратов и обменного аммония в почвенном профиле, в отличии от других факторов, оказавших заметное влияние на трансформацию фонда подвижного минерального азота (прежде всего, нитратов) в почве - обработки (пар относительно целины), выращивание растений (пар - контроль), внесение удобрений (контроль - NP - NPK). Влияние вышеназванных факторов на содержание фиксированного аммония в профиле исследуемой почвы отличалось от их действия на фонд подвижных минеральных форм азота (табл. 2). Так, длительная обработка почвы не отразилась на содержании в ней необменного аммония - его количество в профиле парующейся почвы оставалось одинаковым с целинным участком. Отметим, что естественное увеличение содержания этой формы азота вниз по профилю почвы связано, вероятно, с некоторым утяжелением в этом направлении почвенного гранулометрического состава (с 30-31% физической глины до 34-35%). Возможно, сказалось и изменение по профилю содержания органического вещества, влияние которого на фиксацию катионов, по различным литературным данным, может быть противоположным [16]. Выращивание растений заметно отразилось на содержании необменного аммония в почве, причем влияние биологических особенностей культур на этот про- 204 цесс прослеживалось достаточно отчетливо. При выращивании картофеля (контрольный вариант) содержание фиксированного аммония уменьшилось только в пахотном слое почвы, тогда как кукуруза существенно снизила запасы этой формы азота во всем обследуемом почвенном профиле (табл. 2). Это обусловлено значительной разницей в размерах и поглотительной способности корневой системы данных культур. Сильно дефицитный баланс калия на фоне систематического внесения азотных удобрений (фоновый вариант) приводил, с одной стороны, к снижению содержания фиксированного аммония в пахотном слое почвы, с другой - к значительному накоплению этой формы азота в нижней части почвенного профиля (табл. 2), что особенно отчетливо прослеживалось на овощном участке. Обеднение пахотного слоя почвы необменным калием (см. ниже) способствовало, видимо, ослаблению его блокирующего действия и высвобождению (поглощению растениями) определенного количества фиксированного аммония, который позиционно тесно связан с калием в почвенной матрице. В то же время обменный аммоний, мигрируя, наряду с нитратами, по профилю почвы (см. табл. 2), необменно закреплялся в нижней его части. И хотя темпы миграции обменного аммония, судя по всему, невелики, за годы проведения опытов они позволили накопить значительные запасы необменной его формы в нижних слоях почвы. Заметим, что емкость фиксации катионов у исследуемой почвы довольно велика [16], а аммоний, по некоторым данным, имеет приоритет перед калием при необменном поглощении [12-14]. Слабодефицитный баланс калия в агроценозах способствовал как эффективному использованию растениями вносимого азота, минимизируя его нисходящую миграцию, так и сохранению (даже, повышению - в пахотном слое) содержания форм калия во всей обследуемой почвенной толще на уровне целины (см. ниже). В результате содержание фиксированного аммония в верхнем (0-20 см) слое почв этих вариантов, по сравнению с целиной, не изменилось или возросло, а ниже по профилю осталось без изменений. Исследования показали, что необменный аммоний, депонированный в пахотном слое почв, может быть доступен (при дефиците азота и/или калия) культурам с различной усваивающей способностью - и картофелю, и кукурузе. Масштабы поглощения фиксированного аммония (равно как и калия) растениями из почвы ограничены его количеством, располагающимся на позициях в кристаллической решетке почвенных минералов, селективность которых к этому катиону ниже, чем усваивающая способность растений, а всегда сохраняющийся почвенный резерв структурного минерального аммония является, с точки зрения питания растений, «мертвым» запасом. При бездефицитном и, особенно, профицитном балансе калия в агроценозах (на фоне NP) происходило накопление фиксированного аммония в пахотном слое почвы и нижней части ее профиля (табл. 2). Заметное увеличение содержания необменного аммония в нижней части профиля почвы отмечалось и при выращивании кукурузы, активно усваивающей азот из всей обследуемой почвенной толщи. Очевидно, что повышенный уровень необменного калия в этих почвенных сло- ях ингибировал высвобождение фиксированного аммония с занимаемых позиций в кристаллитах. Примечательно, что подпахотный (20-40 см) слой исследуемой почвы на овощном участке оказался совершенно индифферентным к особенностям баланса азота и калия в агроценозе, что ставит под сомнение его пригодность для мониторинговых обследований. Различный баланс калия в вариантах опытов определенным образом отразился на почвенном калийном состоянии (табл. 3). Заметное изменение концентрации калия в почвенном растворе (легкообменный калий) произошло только в пахотном слое почвы. Содержание обменного калия - основной индекс почвенной калийной диагностики - снизилось в верхнем слое почвы вариантов с сильнодефицитным балансом до «минимального» уровня, составляющего примерно 2/3 от целинного, на котором и сохранялось в течение многих лет, несмотря на продолжавшийся все время значительный вынос элемента растениями. На зерновом участке в вариантах с сильным калийным дефицитом наблюдалась тенденция снижения содержания обменного калия и в подпахотных слоях почвы. Очевидно, что злаковые культуры за счет активной корневой системы стремились усваивать дефицитный элемент не только из пахотного, но и более глубоких слоев почвы. Однако недополученный урожай биомассы (см. табл. 1) свидетельствует, что это удалось им не в полной мере. Заметное повышение содержания обменного калия произошло только в пахотном слое почвы вариантов с бездефицитным калийным балансом; ниже по профилю почвы накопления этой формы калия не отмечалось. Депонирование калия в обменной форме в верхнем почвенном горизонте и отсутствие накопления в нижележащих слоях, вероятно, связано с резким падением с глубиной содержания гумуса (по слоям: 4,9 - 2,4 - 0,9 -0,4 - 0,3%), безусловно, влияющего на емкость катион-ного обмена конкретного слоя почвы (соответственно: 21,1 - 17,5 - 15,6 - 14,6 - 14,5 мг-экв./100 г). Содержание необменного калия в пахотном слое почвы контрольного и фонового вариантов существенно снизилось (табл. 2). В нижележащих почвенных слоях этих вариантов каких-либо относительных изменений содержания этой формы калия не обнаружено. При систематическом внесении калийных удобрений содержание в почве необменного калия, как минимум, не уменьшилось. Следует отметить, что увеличение уровня необменного калия в почве зернового участка происходило и в условиях отрицательного калийного баланса в агроценозе (см. табл. 1). По-видимому, питание зерновых культур в значительной степени осуществлялось и за счет других, более прочносвязанных с минеральной частью почвы форм калия, не экстрагируемых использованными нами вытяжками; причем внесение даже средних доз калийных удобрений существенно стимулировало этот процесс. При бездефицитном калийном балансе наблюдалась явная тенденция накопления необменного калия в подпахотном и даже нижележащих слоях почвы. Очевидно, что мигрирующий с фильтрующимися водами вниз по профилю почвы легкообменный калий поглощался трехслойными глинистыми минералами, трансформируясь в необменную форму. 205 Таблица 3 Изменение содержания форм калия в профиле почвы агроценозов, мг К/100 г почвы Слой почвы, смНСР05 0-20 | 20-40 | 40-60 | 60-80 | 80-100 Легкообменный калий Целина1,50,50,50,50,50,24 Пар1,20,40,40,40,50,15 Без удобренийQA 0,4Ы 0,5Ы 0,4QA 0,40^5 0,40.12 0,12 NPQA 0,6Ы 0,5Ы 0,5QA 0,50^5 0,50.12 0,14 NPK50O/oL0 1,2Ы 0,5Ы 0,4ы 0,5QA 0,40.19 0,17 NPK100%2,4м 0,6QA 0,5QA 0,5QA 0,50.28 0,30 НСР0511 1.5СМ2 0,10Mi 0,720.18 0,170.19 0,18- Обменный калий Целина11,79,512,312,811,31,2 Пар11,29,211,813,711,80,7 Без удобрений8£ 7,8^9 8,312,6 11,012,6 11,21L8 10,2дл 1,5 NP8£ 7,58J 7,912,2 10,612,7 11,61L7 9,8QA 1,5 NPK50O/oЩ, 11,010.2 8,712.2 11,313.2 11,91L3 10,411 1,2 NPK100%Ж2 17,09А 10,011.8 12,313.3 12,21L9 10,32А 3,1 НСР05ТА 6,822 2,121 2,1ы 1,91А 1,6- Необменный калий Целина1201001151109517 Пар115100ПО1109516 Без удобрений100 108100 105115 125105 12095 1059 10 NP108 108100 105115 125105 12095 1009 5 NPK50O/o120 130100 105ПО 125105 12095 10016 14 NPK100%140 155105 115115 125125 120100 10020 15 НСР0512 1521 2311 1020 1118 15- Примечание. Над чертой - овощной агроценоз, под чертой - зерновой агроценоз. Проведенные исследования показали важную роль баланса элементов-биофилов в агроэкосистемах, а также биологических особенностей выращиваемых культур, в процессах трансформации почвенного фонда минерального азота и калия. Длительный сильнодефицитный баланс калия в агроценозах способствовал заметному снижению содержания необменного аммония в пахотном слое почвы, а при выращивании культур с хорошо развитой корневой системой (кукуруза) и в более глубоких почвенных слоях. Внесение на этом фоне азотных удобрений приводило к значительной нисходящей миграции минерального азота и его закреплению в необменной форме в нижней части почвенного профиля, что особенно отчетливо прослеживалось под культурами со слабой корневой системой (картофель). Слабо дефицитный калийный баланс, который следует признать оптимальным, приводил к депонированию части (по-видимому, в данный момент избыточной) внесенного азота в форме фиксированного аммония только в пахотном слое почвы агроценозов; этот запас минерального азота впоследствии (при возникшем относительном дефиците азота и/или калия) может быть эффективно использован всеми культурами. Содержание необменного аммония в более глубоких почвенных слоях при таком балансе калия оставалось без изменений. Профицитный баланс калия в агроценозах вызывал накопление фиксированного аммония не только в пахотном слое, но и в нижней части почвенного профиля, откуда этот азот может быть усвоен лишь культурами с мощной корневой системой. Длительный сильнодефицитный калийный баланс в агроценозе приводил к существенному снижению содержания в почве обменного и необменного калия, главным образом, в ее пахотном слое. Имеющиеся внешне неизменные запасы калия в нижележащих почвенных слоях были не в состоянии полноценно компенсировать истощенный калийный фонд пахотного горизонта, что проявилось в падении эффективности продукционного процесса выращиваемых на данной почве культур. Обнаруживаемое традиционными диагностическими методами уменьшение в почве запасов обменного и необменного калия не соответствовало масштабам выноса этого элемента за относительно продолжительное время. Следовательно, в питании растений и поддержании в почве определенного уровня подвижных калийных форм значительную роль играет структурный калий почвенных минералов. Очевидно, что при больших потерях этого калия нарушаются ме- 206 ханизмы саморегуляции уровня почвенных калийных форм и происходит истощение их подвижных фракций, изменяются состав и свойства калийсодержащих минералов, деградирует эффективное и даже потенциальное плодородие почвы. Применение калийных удобрений в дозах, компенсирующих вьшос элемента урожаем или даже допускающих небольшой дефицит баланса, обеспечивало оптимальное калийное питание растений и способствовало сохранению плодородия почвы в отношении калия. Длительный по- ложительный баланс калия в агроценозе приводил к значительному накоплению обменной и необменной форм элемента в верхнем слое почвы, при этом часть внесенного калия мигрировала в нижележащие почвенные горизонты и депонировалась там в необменной форме. В целом очевидно, что устойчивое и эффективное функционирование агроэкосистем возможно лишь при условии оптимизации в них баланса элементов питания растений на основе рационального и сбалансированного применения удобрений.

Скачать электронную версию публикации