Агрохимия, 2019, № 3, стр. 44-53

ВВЕДЕНИЕ

Железо – необходимый элемент для роста и развития растений. Участие железа в процессах обмена веществ в растительном организме чрезвычайно обширно и отражается на активности и характере метаболизма потребляемых растениями элементов питания. Этот элемент участвует в переносе электронов и окислительно-восстановительных реакциях, таких как окисление углеводов, восстановление сульфатов и нитратов. Большую роль играет железо в фотосинтезе растений, являясь незаменимым компонентом в составе хлоропластов. Недостаток железа тормозит два важнейших процесса энергообмена растений – фотосинтез и дыхание и вызывает глубокий хлороз развивающихся листьев [1].

Подзолистые и дерново-подзолистые почвы Северо-Запада Нечерноземной зоны содержат очень большие валовые запасы железа. По данным Пестрякова [2], валовое содержание железа в верхних горизонтах почв меняется от 0.7 до 5.0% и более к массе почвы. В зависимости от минералогического состава, степени разрушенности почвенных минералов в легкоподвижные (доступные для растений) формы переходит от 0.01 до 1% общего содержания этого элемента [3].

Состояние железа в почвах изучено достаточно полно [4–6]. Подвижность железа возрастает от почв с щелочной реакцией к нейтральной и далее к кислым почвам [7]. В кислой среде происходит более интенсивное поглощение этого элемента растениями. Растворимость солей трехвалентного железа при нормальной реакции почвы очень невелика, однако резко возрастает при подкислении: понижение рН почвы с 5.0 до 4.0 увеличивает ее в 1000 раз [3]. Кроме того, переувлажнение почв существенно увеличивает содержание в почве восстановленных форм железа.

Известкование способствует уменьшению концентрации подвижного железа в почве [8]. Максимальное снижение подвижности этого элемента отмечено при рН_KCl, соответствующем 6.5–7.2 [3].

В 2011 г. в лаборатории мелиорации почв АФИ (г. С.-Петербург) начато изучение возможности использования отсева щебеночного производства месторождения Елизаветино (Гатчинский р-н Ленинградской обл.) в качестве известкового мелиоранта. Определена скорость растворения, удобрительная ценность и мелиоративные свойства различных по размеру частиц доломита [9–11]. Установлены масштабы миграции катионов кальция и магния из почвы, произвесткованной крупными фракциями доломитовой крошки [12]. Однако невыясненным остается вопрос о влиянии отсева доломита на динамику содержания доступных для растений форм железа в почвах.

Цель работы – в условиях длительного микрополевого опыта изучить динамику содержания подвижного железа в почве, мелиорируемой различными по размеру фракциями отсева доломита и их сочетаниями между собой; разработать эмпирические модели, адекватно описывающие изменение в почве концентрации этого элемента в длительном последействии мелиоранта; вычислить среднюю скорость изменения содержания железа в почве во время всего срока проведения опыта.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования были дерново-подзолистая почва и различные по размеру фракции отсева доломита (М). Физико-химическая характеристика почвы следующая: рН_KCl 4.2, Н_г – 5.6 ммоль(экв)/100 г почвы, гумус – 1.76%, содержание частиц <1 мм – 21.2%, содержание обменных Ca²⁺ и Mg²⁺ – 1.54 и 0.34 ммоль(экв)/100 г почвы соответственно. Содержание подвижного железа – 41 мг/кг почвы.

В микрополевом опыте изучали влияние фракций отсева доломита месторождения Елизаветино размером <0.25 мм – доломитовую муку (ДМ); 0.25–1, 1–3 и 3–5 мм и их сочетаний между собой. Контролями служили вариант без применения мелиоранта и вариант с использованием стандартной известняковой муки (ИМ), внесенной в эквивалентной отсеву дозе. Схема опыта представлена в табл. 1. Повторность опыта четырехкратная.

Методика проведения микрополевого опыта была следующей. Сосуды емкостью 40 л без дна закапывали в почву на глубину 50 см. В них помещали 40 кг почвы, произвесткованной фракциями отсева доломита по полной дозе Н_г и их сочетании между собой в заведомо завышенных дозах. Последнее открывало путь к созданию мелиоранта пролонгированного действия. Опыт заложен в 2011 г. В опыте последовательно выращивали культуры, отзывчивые на известкование и характеризующиеся высоким уровнем потребления кальция и магния: в 2011 г. – рапс, в 2012 г. – вику и горчицу, в 2013 и 2014 гг. – бобы и горчицу, в 2015 г. – ячмень с подсевом тимофеевки. В 2016 г. провели 2 укоса тимофеевки. Уборку растений проводили в фазе цветения. Концентрацию доступного для растений железа в почве устанавливали после уборки каждой культуры. Всего проведено 10 определений (10 опыто-лет).

При закладке опыта почва была удобрена АФК в количестве 48 г/м². Кроме того, перед посевом растений ежегодно применяли АФК по 6 г/м². Определение Fe вели на атомно-адсорбционном спектрфотометре “Spectr AA 240 FS” фирмы “Varian” методом пламенной атомизации, предварительно извлекая его из почвы ацетатно-аммонийном буфером (ААБ рН 4.8). Математическую обработку данных проводили согласно [12, 13].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Данные изучения содержания железа в процессе проведения опыта сведены в табл. 1. Результаты показали, что увеличение концентрации доступных форм железа в почве контрольного варианта зафиксировано уже в год закладки эксперимента после уборки рапса. Несмотря на некоторую (и неизбежную) вариабельность изученного показателя, рост концентрации продолжался до 9-го срока наблюдений, когда концентрация железа в почве возросла по сравнению с исходным содержанием до закладки опыта в 1.7 раза.

По мнению Небольсина с соавт. [3], варьирование содержания подвижного железа по годам в почвах длительных полевых опытов может быть вызвано 3-мя причинами: 1 – различиями в погодных условиях, 2 – влиянием возделываемых культур за счет восстановительного действия корневых выделений и выноса оснований, 3 – действием активности Солнца и изменением магнитного поля Земли.

Полученные данные хорошо согласовались с динамикой почвенной кислотности в почве опыта. В работе [11] показано, что на протяжении всего периода эксперимента в контрольном варианте наблюдали снижение величины рН_KCl и рост величины гидролитической кислотности.

Таким образом, по мере потери оснований из почв, обусловленной выносом растениями и миграцией с просачивающейся влагой атмосферных осадков [14], содержание подвижных форм железа в почве увеличивалось. В контрольном варианте с использованием одних минеральных удобрений на фоне изменений изученного показателя выявлена значимая положительная динамика изменения концентрации железа во времени.

Модель (1.1) представляет собой линейный тренд динамики содержания железа в варианте 1 без известкования:

где t – время (сроки).

Средняя скорость изменения концентрации железа в варианте 1: ${{v}_{1}}$ = 1.85 мг/кг/опыто-год.

Модель (1.1) статистически значима на стандартном уровне значимости 5% (величина статистики F = 5.4 при табличной величине F(0.95, 1.8) = = 5.318). График модели представлен на рис. 1.

Модель (1.2) представляет собой многочлен 6‑й степени:

Модель (1.2) статистически значима на уровне значимости 21% (F-статистика принимает величину F = 2.96 при критической величине F(0.79, 6, 3) = 2.84) и хорошо аппроксимирует данные наблюдений (коэффициент детерминации R² = 0.85). График модели представлен на рис. 1.

В варианте опыта 1 отмечена статистически значимая положительная динамика изученного показателя (тенденция к возрастанию показателя в среднем). Средняя скорость нарастания содержания подвижного железа ${{v}_{1}}$ = 1.85 мг/кг/опыто-год.

Известкование ИМ и ДМ в научно обоснованной дозе привело к снижению подвижности железа уже в год мелиорации. По сравнению с содержанием в почве до закладки опыта его концентрация в почве этих вариантов снизилась соответственно в 1.5 и 1.7 раза. Существенных различий в содержании между вариантами опыта в течение всего периода изучения выявить не удалось. Влияние мелиорации на содержание подвижных форм железа прослеживалось на протяжении всего срока проведения опыта. Несмотря на постепенный рост концентрации железа в почве обоих вариантов, возврата к исходному содержанию в почве до закладки опыта за 10 опыто-лет не произошло.

Модель (2.1) представляет собой линейный тренд динамики содержания железа в варианте с ИМ:

Средняя скорость изменения концентрации железа в варианте 2: ${{v}_{2}}$ = 1.245 мг/кг/опыто-год.

Модель (2.1) статистически значима на стандартном уровне значимости 5% (F-статистика принимает величину F = 7.7 при критической величине F(0.95, 1, 8) = 5.318). График модели представлен на рис. 2.

Модель (2.2) представляет собой многочлен 6‑й степени:

Модель (2.2) статистически значима на стандартном уровне значимости 5% (F-статистика принимает величину F = 12.27 при критической величине F(0.95, 6, 3) = 8.94) и очень хорошо аппроксимирует данные наблюдений (коэффициент детерминации R² = 0.96). График модели представлен на рис. 2.

Таким образом, в варианте опыта 2 присутствует значимая положительная динамика показателя (тенденция к возрастанию показателя в среднем в опыте). Средняя скорость увеличения содержания подвижного железа: ${{v}_{2}}$ = 1.245 мг/кг/опыто-год.

Модель (3.1) представляет собой линейный тренд динамики содержания железа в варианте с ДМ:

Средняя скорость изменения концентрации железа в варианте 3: ${{v}_{3}}$ = 1.08 мг/кг/опыто-год.

Модель (3.1) статистически значима на стандартном уровне значимости 5% (F-статистика принимает величину F = 5.38 при критической величине F(0.95, 1, 8) = 5.318). График модели представлен на рис. 3.

Модель (3.2) представляет собой многочлен 6-й степени:

Модель (3.2) статистически значима на уровне значимости 10% (F-статистика принимает величину F = 5.43 при критической величине F(0.9, 6, 3) = 5.28) и очень хорошо аппроксимирует данные наблюдений (коэффициент детерминации R² = 0.915). График модели представлен на рис. 3.

Средняя скорость изменения концентрации подвижного железа: ${{v}_{3}}$ = 1.08 мг/кг/опыто-год.

Нейтрализация почвенной кислотности фракцией крошки размером 0.25–1 мм также привела к снижению содержания подвижного железа уже в год известкования. Однако величина концентрации железа в год проведения мелиорации была больше, чем в вариантах с ИМ и ДМ. Максимальное осаждение железа достигнуто к концу 2012 г. Такое его содержание сохранялось до конца 2013 г. Далее наметился рост концентрации изученного показателя. Возврата к исходному содержанию железа в почве до закладки опыта в этом варианте также не установлено.

Модель (4.1) представляет собой линейный тренд динамики содержания железа в варианте, мелиорируемом отсевом размером 0.25–1 мм.

Средняя скорость изменения концентрации железа в варианте 4: ${{v}_{4}}$ =0.4 мг/кг/опыто-год.

Модель (4.1) статистически незначима (F-статистика принимает величину F = 0.379 при критической величине F(0.5, 1, 8) = 0.499). График модели представлен на рис. 4.

Модель (4.2) представляет собой многочлен 6‑й степени:

Модель (4.2) статистически значима на уровне значимости 29% (F-статистика принимает величину F = 2.167 при критической величине F(0.71, 6, 3) = 2.09) и хорошо аппроксимирует данные наблюдений (коэффициент детерминации R² = = 0.81). График модели представлен на рис. 4.

В варианте опыта с применением фракции доломита размером 0.25–1 мм не выявлена статистически значимая динамика изученного показателя в среднем. Вариант 4 существенно отличался от вариантов 1, 2 и 3. Средняя скорость увеличения содержания железа ${{v}_{4}}$ = 0.4 мг/кг/опыто-год не отличалась значимо от нуля.

Применение в качестве мелиоранта фракции доломита размером 1–3 мм незначительно повлияло на подвижность железа в почве в год мелиорации. Максимальное влияние этой фракции на изученный показатель зафиксировано после 3-го опыто-года. Концентрация составила 28.3 мг/кг массы почвы. В последующие периоды наблюдений изменения концентрации железа происходили в диапазоне от 30.9 до 42.2 мг/кг почвы. Возврат к исходному содержанию железа в почве до закладки опыта зафиксирован в 2016 г. после 1-го укоса тимофеевки.

Модель (5.1) представляет собой линейный тренд динамики содержания железа в варианте, мелиорируемом фракцией отсева размером 1–3 мм:

t – время (сроки).

Средняя скорость изменения концентрации железа в варианте 5: ${{v}_{5}}$ = –0.12 мг/кг/опыто-год.

Модель (5.1) статистически незначима (F-статистика принимает величину F = 0.048 при критической величине F(0.5, 1, 8) = 0.499). График модели представлен на рис. 5.

Модель (5.2) представляет собой многочлен 6‑й степени:

Модель (5.2) статистически значима на уровне значимости 22% (F-статистика принимает величину F = 2.788 при критической величине F(0.78, 6, 3) = 2.726) и хорошо аппроксимирует данные наблюдений (коэффициент детерминации R² = = 0.85). График модели представлен на рис. 5.

В варианте опыта с известкованием доломитом размером 1–3 мм не выявлена статистически значимая динамика средней величины изученного показателя. Вариант 5 существенно отличался от вариантов 1, 2, 3. Средняя скорость увеличения содержания железа ${{v}_{5}}$ = –0.12 мг/кг/опыто-год не отличалась значимо от нуля. Имело место сходство вариантов 5 и 4.

Минимальное влияние доломита на содержание подвижного железа установлено в варианте с использованием фракции размером 3–5 мм в научно обоснованной дозе. В год известкования снижение концентрации железа составило всего 2 мг/кг почвы. Во всем промежутке времени проведения опыта изменения содержания подвижного железа происходили в диапазоне от 37.8 до 57.4 мг/кг почвы.

Модель (6.1) представляет собой линейный тренд динамики содержания железа в варианте, мелиорируемом доломитом размером 3–5 мм:

Средняя скорость изменения концентрации железа в варианте 6: ${{v}_{6}}$ = 0.35 мг/кг/опыто-год.

Модель (6.1) статистически незначима. График модели представлен на рис. 6.

Модель (6.2) представляет собой многочлен 6‑й степени:

Модель (6.2) статистически значима на уровне значимости 14% (F-статистика принимает величину F = 4.098 при критической величине F(0.86, 6, 3) = 4.03) и очень хорошо аппроксимирует данные наблюдений (коэффициент детерминации R² = 0.89). График модели представлен на рис. 6.

В варианте опыта, мелиорируемом доломитом размером 3–5 мм, не выявлена статистически значимая динамика средней величины изученного показателя. Средняя скорость ${{v}_{6}}$ = 0.35 мг/кг/опыто-год не отличалась значимо от нуля. Выявлено сходство вариантов 6, 5 и 4.

В целом влияние доломитовой крошки, внесенной в научно обоснованной дозе, на содержание подвижного железа в почве зависело от размера частиц и определялось скоростью растворения их в почве. Чем меньше был размер частиц и выше скорость взаимодействия их с почвой, тем влияние на рассматриваемый показатель было больше.

Использование смеси мелиорантов в дозе 3Н_г (вариант 7) привело к резкому (в 2.2 раза) снижению концентрации железа по сравнению с его содержанием до закладки опыта уже в год известкования. В дальнейшем во всем промежутке времени опыта изменение концентрации этого элемента происходило в диапазоне от 10 до 25 мг/кг почвы. Возврата к исходному содержанию железа в почве до закладки опыта не произошло.

Модель (7.1) представляет собой линейный тренд динамики содержания железа в варианте, мелиорируемом смесью фракций в дозе 3Н_г:

Средняя скорость изменения концентрации железа в варианте 7: ${{v}_{7}}$ = –0.86 мг/кг/опыто-год. Модель (7.1) статистически значима на уровне значимости 8% (F-статистика принимает величину F = 4.31 при критической величине F(0.92, 1, 8) = = 4.02). График модели представлен на рис. 7.

Модель (7.2) представляет собой многочлен 6-й степени:

Модель (7.2) статистически значима на уровне значимости 15% (F-статистика принимает величину F = 3.93 при критической величине F(0.85, 6, 3) = 3.806) и очень хорошо аппроксимирует данные наблюдений (коэффициент детерминации R² = 0.88). График модели представлен на рис. 7.

Вариант 7 существенно отличался от вариантов 1–6. В варианте 7 отмечена значимая отрицательная динамика изученного показателя (тенденция к уменьшению среднего содержания железа в годы эксперимента). Средняя скорость: ${{v}_{7}}$ = –0.86 мг/кг почвы.

Увеличение дозы применения смеси различных по размеру фракций доломита до 4-х и 6-ти полных доз, рассчитанных по гидролитической кислотности, также привело к осаждению подвижного железа в год известкования. Существенных различий содержания этого элемента между вариантами, произвесткованными дозами, соответствующими 3, 4 и 6 Н_г, во всем промежутке времени опыта не выявлено.

Модель (8.1) представляет собой линейный тренд динамики содержания железа в почве, мелиорируемой смесью фракций в дозе 4Н_г:

Средняя скорость изменения концентрации железа в варианте 8: ${{v}_{8}}$ =–1.04 мг/кг/опыто-год.

Модель (8.1) статистически значима на стандартном уровне значимости 5% (F-статистика принимает величину F = 9.6 при критической величине F(0.95, 1, 8) = 5.318). График модели представлен на рис. 8.

Модель (8.2) представляет собой многочлен 6-й степени:

Модель (8.2) статистически значима на уровне значимости 13% (F-статистика принимает величину F = 4.334 при критической величине F(0.87, 6, 3) = 4.283) и очень хорошо аппроксимирует данные наблюдений (коэффициент детерминации R² = 0.896). График модели представлен на рис. 8.

Вариант 8 существенно отличался от вариантов 1–6. В варианте 8 выявлена значимая отрицательная динамика изученного показателя (тенденция к уменьшению средней величины показателя). Средняя скорость: ${{v}_{8}}$ = –1.04 мг/кг/опыто-год. Отмечено сильное сходство вариантов 8 и 7.

Модель (9.1) представляет собой линейный тренд динамики содержания железа в варианте, мелиорируемом смесью фракций в дозе 6Н_г.

Средняя скорость изменения концентрации железа в варианте 9: ${{v}_{9}}$ =–1.005 мг/кг/опыто-год.

Модель (9.1) статистически значима на стандартном уровне значимости 5% (F-статистика принимает величину F = 10.8 при критической величине F(0.95, 1, 8) = 5.318). График модели представлен на рис. 9.

Модель (9.2) представляет собой многочлен 6‑й степени:

Модель (9.2) статистически значима на уровне значимости 28% (F-статистика принимает величину F = 2.178 при критической величине F(0.72, 6, 3) = 2.171) и хорошо аппроксимирует данные наблюдений (коэффициент детерминации R² = = 0.81). График модели представлен на рис. 9.

Вариант 9 существенно отличался от вариантов 1–6. В варианте 9 выявлена значимая отрицательная динамика изученного показателя (тенденция к уменьшению средней величины показателя). Средняя скорость: ${{v}_{9}}$ = –1.005 мг/кг/опыто-год. Отмечено сильное сходство вариантов 9, 8 и 7.

Использование в качестве мелиоранта фракции доломита размерм 3–5 мм в количестве пяти полных доз Н_г привело к снижению содержания подвижного железа в год известкования по сравнению с исходной почвой на 7 мг/кг почвы. К концу 2012 г. его концентрация уменьшилась в 1.9 раза и составила 21.7 мг/кг почвы. Далее изменения в содержании элемента происходили в диапазоне от 27.2 до 21.2 мг/кг. После 2-го укоса тимофеевки в 2016 г. зафиксировано минимальное содержание подвижного железа в почве, которое составило 14.2 мг/кг. В данном варианте можно было ожидать дальнейшего влияния известкования на этот показатель в длительном последействии.

Модель (10.1) представляет собой линейный тренд динамики содержания железа в варианте, мелиорируемом фракцией доломита размером 3–5 мм в дозе 5Н_г.

Средняя скорость изменения концентрации железа в варианте 10: ${{v}_{{10}}}$ = –1.909 мг/кг/опыто-год.

Модель (10.1) статистически значима на стандартном уровне значимости 5% (F-статистика принимает величину F = 21.7 при критической величине F(0.95, 1, 8) = 5.318). График модели представлен на рис. 10.

Модель (10.2) представляет собой многочлен 6-й степени:

Модель (10.2) статистически значима на уровне значимости 14% (F-статистика принимает величину F = 4.22 при критической величине F(0.86, 6, 3) = 4.03) и очень хорошо аппроксимирует данные наблюдений (коэффициент детерминации R² = 0.89). График модели представлен на рис. 10.

Вариант 10 существенно отличался от вариантов 1–6. В варианте 10 отмечена значимая отрицательная динамика изученного показателя (тенденция к уменьшению средней величины показателя). Средняя скорость: ${{v}_{{10}}}$ = –1.909 мг/кг/опыто-год. Выявлено сильное сходство вариантов 7–10.

По влиянию известкования на динамику содержания подвижного железа в почве все изученные варианты известкования отсевом доломитовой крошки с разным размером частиц можно разделить на 3 группы.

1-я группа включала вариант без известкования и варианты с использованием ДМ и ИМ в научно обоснованных дозах со статистически значимой положительной динамикой изученного показателя (тенденция к возрастанию содержания подвижного железа в среднем во всем промежутке времени исследования).

2-я группа включала варианты с фракциями отсева размером 0.25–1, 1–3 и 3–5 мм со статистически незначимыми изменениями показателя в среднем. Средние скорости изменения содержания подвижного железа не отличались от нуля.

3-я группа включала варианты с использованием смеси мелиорантов в заведомо завышенных дозах и фракции размером 3–5 мм в дозе, соответствующей 5Н_г, со статистически значимой отрицательной динамикой изученного показателя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Известкование кислой дерново-подзолистой почвы отсевом доломитовой крошки приводило к осаждению подвижных форм железа. Чем мельче был размер частиц и выше доза применения, тем влияние мелиорации на этот показатель было больше. Влияние известкования доломитовыми частицами в научно обоснованной дозе прослежено на протяжении не менее 9–10 опыто-лет. При применении смеси фракций в заведомо завышенных дозах можно ожидать длительного последействия известкования на содержание подвижного железа в мелиорируемой почве, значительно превосходящего срок эксперимента.

Изученные фракции доломита по их влиянию на изменение содержания подвижного железа в почве были разбиты на 3 категории. Разработаны эмпирические модели, адекватно описывающие динамику изученного показателя во всем промежутке времени проведения опыта во всех вариантах.