Агрохимия, 2020, № 4, стр. 38-46

ВВЕДЕНИЕ

Сельскохозяйственное использование почвы может оказывать существенное влияние как на отдельные количественные и качественные почвенные характеристики, так и на экологическое состояние агроландшафта в целом. Особая роль в этом процессе принадлежит средствам химизации, научно обоснованное применение которых оптимизирует циклы биогенных макро- и микроэлементов в агроценозах, способствует сохранению и повышению плодородия почвы, усиливает адаптационный потенциал растений к неконтролируемым факторам внешней среды. Вместе с тем внесение минеральных удобрений оказывает разноплановое влияние на окружающую среду из-за содержащихся, зачастую токсичных примесей, физиологической кислотности и других нежелательных свойств. Характерной особенностью большинства минеральных удобрений является наличие в них сопутствующих балластных элементов, в т.ч. галогенов и тяжелых металлов. Например, достаточно широко применяемые в земледелии фосфорные удобрения в зависимости от исходного сырья и технологии производства могут содержать до 1–4% фтора [1, 2]. Следует отметить, что фтор является довольно важным микроэлементом для животных и человека, участвующим в различных физиологических процессах. Однако роль фтора в метаболизме растений однозначно не установлена [3], а повышенные его концентрации приводят к торможению роста и развития растений, снижению их продуктивности. В ряде работ показано, что при избыточном поступлении и накоплении фтора в окружающей среде он может оказывать негативное воздействие на свойства почвы, качество растительной продукции и здоровье людей [3–7].

Данные изучения влияния сельскохозяйственного использования почвы, вообще, и вносимых фосфорных удобрений, в частности, на почвенное содержание фтора довольно ограничены, особенно для условий Западной Сибири, и посвящены в основном действию фосфогипса при мелиорации солонцов [8, 9]. В этой связи выявление региональной специфики трансформации фонда фтора в почвах агроценозов имеет важное агрохимическое и экологическое значение.

Цель работы – в длительных стационарных полевых опытах в лесостепи Западной Сибири оценить изменения содержания фтора в почвах при их сельскохозяйственном использовании.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования послужили почвы лесостепной зоны Западной Сибири – лугово-черноземная (южная лесостепь) и серая лесная (северная лесостепь).

Полевой опыт на исходно целинной лугово-черноземной тяжелосуглинистой почве был заложен в 1978 г. на научно-исследовательском стационаре СибНИИСХоза (Омская обл., Омский р-н). На одном участке почвы в севообороте выращивали преимущественно многолетние и однолетние травы и травосмеси (далее – кормовой севооборот), параллельно на другом – зерновые культуры и травосмеси (зернотравяной севооборот). В опытах разрабатывали приемы повышения продуктивности выращиваемых культур при орошении [10]. В данном сообщении рассмотрены 2 наиболее контрастных варианта опытов – без удобрений и с внесением NP; в связи с очень высоким содержанием калия в исследованной почве (обменного – 60 мг/100 г) калийные удобрения не применяли. Побочная продукция зерновых и зернобобовых культур – солома, при уборке ее разбрасывали по полю, данные продуктивности конкретных культур по годам опыта опубликованы ранее [10].

Полевой опыт на исходно целинной серой лесной среднесуглинистой почве был заложен в 1988 г. на научно-исследовательском стационаре ИПА СО РАН (Новосибирская обл., Искитимский р-н). Выращивали овощные культуры в севообороте до 2000 г., затем картофель в бессменной посадке. В опытах изучали влияние интенсивности калийного баланса на эколого-агрохимическое состояние агроценозов [11, 12]. В настоящем сообщении рассмотрены наиболее контрастные варианты данного опыта: без удобрений, NP и NPK. В опытах учитывали и убирали с делянок как основную, так и побочную продукцию выращенных культур. Полученная в опыте в различные годы продуктивность основной и побочной продукции конкретных культур приведена в работах [11, 12]. Для суммирования продуктивности различных выращенных культур, полученной за годы проведения опытов, она выражена в кормовых единицах (к.е.).

Удобрения вносили в форме N_aa, P_сд и K_х, ежегодно, с учетом потребности конкретной выращиваемой культуры. Закладку и проведение опытов осуществляли по общепринятой методике, повторность в опытах четырехкратная. Агрохимические анализы почвы проводили общепринятыми, стандартными методами [13, 14]: гумус определяли по Тюрину, рН-потенциометрическим методом, подвижный фосфор – по Чирикову, обменные катионы (Ca, Mg, K) – в вытяжке 1 М раствора CH₃COONH₄. Валовой фтор в почвенных образцах определяли спектрофотометрическим методом с анализарин-комплексоном без предварительной отгонки [15], водорастворимый фтор – методом потенциометрии.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Оптимизация минерального питания растений в опытах посредством рационального систематического применения удобрений способствовала значительному росту продуктивности выращиваемых культур (табл. 1), относительно увеличивающемуся по мере возрастания продолжительности сельскохозяйственного использования почв. Например, на лугово-черноземной почве, исходно достаточно высоко плодородной, средняя продуктивность культур за время проведения опытов в контрольных вариантах (без удобрений) кормового и зернотравяного севооборотов составила 34–37 ц к.е./га, тогда как при внесении оптимальных доз NP-удобрений – 53–55 ц.

Эффективное плодородие серой лесной почвы было заметно меньше по сравнению с лугово-черноземной. Однако одностороннее внесение NP-удобрений в серую лесную почву было малоэффективным (среднегодовая продуктивность в контроле и NP-варианте равна соответственно 65 и 76 ц/га), очевидно, в связи с лимитированным калийным питанием растений. Сбалансированное внесение минеральных удобрений в варианте NPK способствовало существенному росту продуктивности овощных культур и картофеля (среднегодовая – 114 ц к.е./га). Результаты проведенных нами длительных полевых опытов подтверждают безальтернативность научно обоснованного применения минеральных удобрений в агроценозах для оптимизации как продуктивности культур, так и агрохимических свойств почвы.

Длительное сельскохозяйственное использование почвы, как интенсивное, так и экстенсивное, неизбежно отражается в той или иной степени на почвенных физико-химических свойствах, что может повлиять на процессы трансформации фонда содержащихся в ней макро- и микроэлементов, в т.ч. и фтора. Различная интенсивность использования минеральных удобрений в вариантах проведенных опытов, специфика отдельных культур и технологии их выращивания соответствующим образом обусловливали изменения эффективного плодородия исследованных почв (табл. 2).

Содержание гумуса в лугово-черноземной почве в результате многолетнего возделывания изменилось мало, что связано, вероятно, со значительной долей орошаемых трав в структуре посевов и, соответственно, поступлением в почву большого количества корневых и пожнивных остатков. Минерализация в верхнем почвенном слое растительной биомассы способствовала сохранению содержания катионов кальция и магния на уровне целинной почвы [10]. Величина рН исследованной почвы за время проведения опыта несколько возросла – на 0.2–0.3 ед. В наибольшей степени изменения свойств почвы коснулись фонда зольных элементов – фосфора и калия: содержание подвижного фосфора в вариантах с его внесением увеличилось в 2 раза по сравнению с исходной почвой, а содержание обменного калия при перманентном дефиците его баланса аналогично снизилось.

В вариантах опыта на серой лесной почве содержание гумуса резко снизилось по сравнению с целиной, что, вероятно, обусловлено перманентной минерализацией почвенного органического вещества при небольшом поступлении растительного материала. При этом в варианте NPK содержание гумуса было больше, чем в контроле и в NP-варианте, что связано, очевидно, с более высокой продуктивностью (табл. 1) при оптимизированном питании культур и соответствующем поступлении в почву растительных остатков.

Реакция среды почвы контрольного варианта за время проведения опыта мало изменилась относительно целины, а в вариантах с внесением азотных удобрений заметно снизилась. Дополнительное использование калийных удобрений не отразилось на кислотности почвы по сравнению с внесением NP-удобрений. Содержание подвижного фосфора в почве контрольного варианта значительно снизилось по сравнению с целиной, а в результате систематического длительного применения фосфорных удобрений – существенно возросло. Аналогичная ситуация отмечена с калийным состоянием почвы при внесении или не внесении калия (табл. 2).

Сельскохозяйственное использование почвы и систематическое внесение минеральных удобрений отразилось на почвенном содержании обменных катионов. Оптимизация калийного состояния почвы и сопутствующий ей рост продуктивности растений привели к заметному уменьшению уровня обменного кальция и особенно магния. Следует отметить, что все изменения указанных почвенных агрохимических свойств во всех вариантах опытов произошли, главным образом, в слое 0–20 см почв.

Кроме того, в проведенных ранее исследованиях [16] установлено некоторое утяжеление гранулометрического состава пахотного слоя почв опытов в условиях агроценоза, за счет интенсификации процессов дробления мелкопесчаной фракции.

Выявленные в длительных опытах изменения почвенных свойств способны повлиять на трансформацию соединений фтора, поведение которого во многом определяется содержанием глинистых минералов, величиной рН, концентрацией щелочноземельных элементов и фосфора [3, 4, 7, 8].

Фтор является наиболее химически активным элементом в ряду галогенов, образующим множество различных соединений. Большинство из них плохо растворимы, что является фактором, лимитирующим миграцию фтора в профиле почвы; интенсивность его водной миграции значительно меньше, чем других галогенов. Например, коэффициент водной миграции фтора составляет 1.6, тогда как других галогенов, для сравнения: хлора – 644, брома – 203, йода – 99 [17]. Валовое содержание фтора в почвах лесостепи Западной Сибири в среднем составляет 338 мг/кг, при варьировании от 120 до 480 мг/кг [18] и тесно зависит от гранулометрического и минералогического состава почв. Связи между содержанием в почвах фтора и гумуса не установлено [8], что связано со слабой способностью органического вещества почвы сорбировать фтор и малочисленностью возможных реакций между ними в почвенных условиях.

Содержание валового фтора в верхнем слое 0–20 см исследованных целинных почв было прямо пропорционально их гранулометрическому составу, составляя 220–230 мг/кг серой лесной почвы и 340–350 мг/кг лугово-черноземной (табл. 3). Данные величины вполне укладываются в характерный для региона интервал показателей, свидетельствуя о типичности фонда фтора в изученных почвах. Ниже по профилю, в слое 20–40 см содержание фтора в обеих почвах несколько возрастало, вероятно, в связи с соответствующим утяжелением гранулометрического состава.

Длительное экстенсивное сельскохозяйственное использование почв слабо отразилось на содержании валового фтора. В лугово-черноземной почве отмечена слабая тенденция к его снижению, что связано, возможно, с выносом урожаями и воздействием орошения. В контрольном варианте опыта в серой лесной почве содержание фтора не изменилось. Резкое уменьшение содержания гумуса в данной почве по сравнению с целиной не повлияло на общий фонд фтора, свидетельствуя о его инертности к почвенному органическому веществу.

Многолетнее систематическое внесение фосфорных удобрений заметно отразилось на уровне содержания фтора в почве агроценозов (табл. 3). В вариантах NP опытов на лугово-черноземной почве содержание валового фтора в пахотном слое возросло на 34–43 мг/кг или на 10–13% по сравнению с контрольными вариантами. В серой лесной почве содержание валового фтора повысилось еще существеннее – в вариантах NP и NPK на 93–110 мг/кг или на 42–49% относительно контроля. Ниже по профилю количество валового фтора в различных вариантах опыта в соответствующих почвах практически не различалось.

В проведенных ранее исследованиях внесение фторсодержащих удобрений и мелиорантов в пахотный слой почвы, как правило, не приводило к увеличению его содержания в нижележащих слоях почвенного профиля по сравнению с контрольным вариантом [9, 19]. В опытах [8] по мелиорации солонцов фосфогипсом валовое содержание фтора в почве при внесении различных доз мелиоранта возросло лишь в слое 0–10 см. Очевидно, что основная фиксация поступающего в почву фтора (илистой фракцией, полуторными оксидами и др.) происходит непосредственно в зоне внесения. Такая ситуация обусловлена высокой химической активностью фтора, который при поступлении в почву быстро и прочно связывается ее компонентами. В этой связи следует отметить слабую растворимость флюорита (CaF₂), селлаита (MgF₂), а также фторидов алюминия и железа [3, 4, 7, 8].

Таким образом, существенное накопление валового тора в исследованных суглинистых почвах происходило только в результате многолетнего использования фосфорных удобрений; относительно тяжелый гранулометрический состав данных почв способствовал указанному процессу. Длительное выращивание различных культур, в том числе и при орошении, определенные изменения в почвах содержания гумуса, обменных катионов, реакции среды слабо отразились на почвенном содержании валового фтора.

В связи с отсутствием установленной по ГОСТу предельно допустимой концентрации (ПДК) на фтор, зачастую ориентируются на литературные данные, в соответствии с которыми допустимым уровнем содержания валового фтора в почве принято считать до 500 мг F/кг, критическим – от 500 до 1000, недопустимым – >1000 мг/кг [20]. Согласно этим данным, валовое содержание фтора в почвах наших опытов с длительным внесением фосфорных удобрений следует оценить как соответствующее допустимому уровню.

Содержание валового фтора в почве дает представление о его общих запасах, однако поведение этого элемента в системе почва–растение–животное–человек определяется концентрацией подвижной формы элемента, т.е. количеством фторид-анионов, не связанных прочно с компонентами почвы и способных к миграции.

Наиболее мобильной фракцией подвижного пула фтора является его водорастворимая часть. В почвах земледельческой зоны Сибири, по данным ряда авторов [8, 17, 21, 22], содержание водорастворимого фтора значительно варьирует – от 0.8–1.0 до 6.2–7.2 мг/кг и более, с максимумом в интразональных почвах, возрастая по мере их засоленности.

В исследованных нами целинных почвах содержание водорастворимой фракции фтора было максимальным в верхнем слое 0–20 см почв и составляло 3.1–5.6 мг/кг, пропорционально их валовым запасам; вниз по профилю почв концентрация водорастворимого фтора равномерно снижалась.

Известно, что фторид-анионы могут активно фиксироваться глинистыми минералами по механизмам сорбции и обмена, образовывать труднорастворимые соединения со щелочноземельными металлами. Исследованные почвы имеют небольшое утяжеление гранулометрического состава к нижней части профиля и подстилаются лессовидными карбонатными суглинками. Очевидно, что при этом количество трехслойных глинистых минералов вниз по профилю увеличивается, равно как и нарастает активность кальциевого геохимического барьера. Данное обстоятельство и обусловливает снижение содержания водорастворимого фтора вниз по профилю исследованных целинных почв.

В верхнем слое 0–20 см лугово-черноземной почвы содержание водорастворимого фтора в контрольных вариантах заметно снизилось по сравнению с целиной, а при длительном внесении удобрений оставалось на уровне целины, несмотря на значительное дополнительное поступление элемента в агроценозы. Это могло быть связано как с определенным поглощением фтора выращиваемыми культурами, так и, вероятно, главным образом, с его миграцией в подпахотный слой 20–40 см почвы в результате действия многолетнего орошения. Содержание водорастворимого фтора в этом почвенном горизонте во всех вариантах опыта существенно возросло – на 0.8–1.5 мг/кг относительно исходного состояния. Кроме этого, неизменный относительно целины уровень содержания щелочноземельных катионов в пахотном слое почвы агроценозов, при некотором ее подщелачивании (табл. 2), не способствовал повышению подвижности фтора и увеличению содержания водорастворимой формы.

Длительное экстенсивное использование серой лесной почвы не отразилось на содержании в ней водорастворимого фтора; его количество в слое 0–40 см почвы контрольного варианта осталось на уровне целины (табл. 3). Многолетнее внесение минеральных удобрений, в т.ч. фосфорных, сопровождавшееся снижением в почве концентрации щелочноземельных катионов и некоторым ее подкислением, заметно интенсифицировало процессы повышения мобильности фтора; содержание его водорастворимой формы возросло не только в пахотном, но и в подпахотном горизонте.

На поведении фтора в исследованной почве могло отразиться изменение содержания подвижного фосфора. Анионы фосфатов и фторидов являются конкурентами в почвенных процессах их обменной адсорбции коллоидами с положительным зарядом, а также химического связывания с образованием нерастворимых в воде солей Ca, Mg, Al, Fe. Поэтому с ростом концентрации подвижного фосфора в почвах, вероятно, можно ожидать увеличения степени мобильности ионов фтора.

Особенно существенное повышение содержания водорастворимого фтора произошло в верхней части профиля почвы варианта NPK. Учитывая, что дозы внесенных фосфорных удобрений во всех удобренных вариантах были равны, а сформировавшиеся уровни содержания подвижного фосфора в почве примерно одинаковыми, причиной заметного увеличения концентрации фторид-анионов в почве варианта NPK служат, на наш взгляд, следующие обстоятельства.

Во-первых, содержание обменного кальция и магния в верхней части профиля почвы варианта NPK было заметно меньше, чем в варианте NP (табл. 2), что связано с интенсивным выносом из почвы этих элементов культурами при оптимизированном питании. Снижение содержания щелочноземельных металлов в почвенном растворе способствовало, вероятно, некоторому относительному повышению мобильности фторид-ионов.

Во-вторых, почва вариантов NP и NPK значительно различались между собой по содержанию обменного калия (табл. 2). Принимая во внимание некоторое снижение содержания щелочноземельных обменных катионов в почве варианта NPK (по сравнению с NP), можно полагать, что доля калия в составе обменных катионов почвы заметно возросла. В то же время известно, что фториды щелочных металлов (K, Na), в отличии от щелочноземельных (Ca, Mg), достаточно хорошо растворимы в воде и в определенной степени способны к миграции. Очевидно, что в почве с повышенным уровнем калия интенсивность образования его соединений с фтором возрастала (по сравнению с почвой с истощенным калийным фондом), соответственно, увеличивалось и содержание подвижных фторид-анионов.

В целом, проведенные исследования показали, что произошедшие относительные изменения фонда подвижного фтора в серой лесной среднесуглинистой почве выглядят значительно рельефнее по сравнению с тяжелосуглинистой лугово-черноземной (табл. 3), несмотря на то, что количество внесенных фторсодержащих фосфорных удобрений в агроценозах на лугово-черноземной почве было больше (табл. 1). Это обстоятельство подтвердило влияние гранулометрического состава почвы на подвижность содержащихся в ней химических элементов – чем тяжелее гранулометрический состав, тем меньше их мобильность. Однако помимо гранулометрического состава почвы, на содержание и распределение водорастворимого фтора, в отличии от валового, заметное влияние оказали не только внесенные фосфорные удобрения, но и изменившиеся агрохимические почвенные свойства, а также используемые агротехнологии.

Концентрация водорастворимого фтора в почвах оценивается согласно следующим критериям: ПДК равна 10 мг/кг, допустимым уровнем считается <10, критическим – 10–30, недопустимым – >30, фон – 1.5 мг/кг [23, 24]. Длительное внесение фосфорных удобрений в наших опытах не привело к повышению концентрации водорастворимого фтора в почвах агроценозов до токсичного уровня. Содержание элемента в почве удобренных вариантов, хотя и заметно возросло по сравнению с контрольными (табл. 3), тем не менее, было значительно меньше его ПДК.

На содержание в почве агроценоза того или иного элемента, в т.ч. и фтора, определяющее влияние оказывает его складывающийся баланс, т.е. соотношение приходной и расходной статей. Хозяйственный баланс фтора в агроценозах рассмотрим на примере опыта на серой лесной почве при выращивании картофеля в 2009–2019 гг. (табл. 4).

В использованном в опытах двойном суперфосфате содержалось 0.45% валового фтора. При внесении этого удобрения в дозе Р60 в почву ежегодно поступало 599 г фтора/га.

Содержание фтора в картофеле при внесении NP-удобрений резко увеличивалось по сравнению с контрольным вариантом; дополнительное применение калийных удобрений на этом фоне приводило к заметному снижению содержания фтора в растительной продукции (табл. 4). Обращает на себя внимание тот факт, что содержание фтора в основной продукции картофеля (клубнях) было примерно в 2 раза ниже, чем в нетоварной части урожая (ботве). Это демонстрирует эффективность защитных реакций растительного организма, препятствующих накоплению поллютантов в репродуктивных и запасающих органах. Анализируя характер поступления фтора в растения при внесении минеральных удобрений можно полагать, что во взаимодействии фтора и калия существует определенный антагонизм, а фтора и фосфора – синергизм; следовательно, поступление этого галогена в растения агроценозов будет снижаться при использовании сбалансированных доз минеральных удобрений.

Максимально допустимый уровень (МДУ) содержания фтора в кормовых корне- и клубнеплодах в нашей стране составляет 20 мг/кг, в ряде зарубежных стран эти требования строже – ПДК для фтора установлен на уровне 2,3 мг/кг; по отечественным нормативам ПДК фтора в овощах и фруктах не должны превышать 2,5 мг/кг [9]. Результаты наших опытов показывают, что длительное внесение относительно высоких, но сбалансированных доз минеральных удобрений не привело к загрязнению фтором товарной части урожая картофеля.

Баланс фтора в различных вариантах опыта складывался неодинаково (табл. 4). В контрольном варианте закономерно формировался перманентно дефицитный баланс фтора, однако его небольшой вынос слабо повлиял на почвенные запасы этого элемента (табл. 3). Вынос фтора растительной продукцией в варианте NPK был наибольшим в связи со значительно более высокой продуктивностью картофеля. Небольшие по абсолютным величинам (г/га) статьи баланса фтора – поступление и вынос – различались между собой в 30–40 раз. Соответственно, баланс фтора в агроценозах с внесением фосфорных удобрений складывался с большим профицитом. Защитные механизмы растений препятствовали поступлению избыточного количества фтора в биомассу и, соответственно, повышенному выносу этого элемента, поэтому фтор, поступающий в агроценоз с фосфорными удобрениями, обусловливал увеличение его почвенного фонда (табл. 3). Фтор, внесенный с удобрениями в подвижной форме, по-видимому, достаточно быстро фиксировался компонентами почвы в прочносвязанное состояние, что существенным образом снижало его способность к миграции, а также и ограничивало доступность растениям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование, проведенное в стационарных полевых опытах в лесостепи Западной Сибири, показало, что длительное экстенсивное сельскохозяйственное использование почв слабо отразилось на почвенном содержании валового фтора; выращивание различных культур – трав, зерновых, пропашных, в т.ч. при орошении, произошедшие определенные изменения агрохимических почвенных свойств – содержания гумуса, обменных катионов, фосфора, не повлияли значимо на общий фонд фтора. Существенному увеличению содержания валового фтора в верхнем слое 0–20 см почв (до 45% от исходного уровня) способствовало многолетнее применение фторсодержащих фосфорных удобрений; ниже по профилю его содержание практически не изменилось.

На уровень содержания водорастворимого фтора в почвах существенное влияние оказало длительное применение фосфорных удобрений и произошедшее изменение некоторых почвенных характеристик (содержания обменных катионов, фосфора), а также отдельные агротехнические приемы (орошение). На орошаемых участках отмечали достоверную миграцию подвижного фтора в подпахотный почвенный слой. Относительные изменения фонда подвижного фтора в почве более легкого гранулометрического состава были рельефнее по сравнению с почвой тяжелого гранулометрического состава.

При внесении NP-удобрений под картофель в почву с низкой обеспеченностью доступным калием содержание фтора в растительной продукции достоверно увеличивалось, тогда как использование сбалансированных доз NPK существенно снижало концентрацию фтора в растениях, до показателей, не превышающих установленные нормативы.

Многолетнее внесение рациональных доз фосфорных удобрений (в среднем Р60–90 в год) не привело к накоплению в почвах агроценозов валового и водорастворимого фтора больше уровня нормативных показателей, несмотря на перманентный профицитный баланс этого элемента. Тем не менее, систематический контроль за экологической ситуацией в интенсивных агроценозах является целесообразным.