Агрохимия, 2019, № 4, стр. 11-22

ВВЕДЕНИЕ

Устойчивость почв к неблагоприятным условиям, в равной степени как свойство любой природной системы, требует специального научного изучения и осмысления. В свете современных тенденций антропогенное воздействие на природные системы, в частности на агропочвы, неизбежно, поэтому его негативные последствия становятся все более очевидными. Опасение вызывают возможное истощение почв элементами питания [1–5], загрязнение тяжелыми металлами (ТМ) [6].

Систематизированные сведения о состоянии плодородия агропочв указывают на практически повсеместное его ухудшение: снижаются доступные формы элементов питания, повышается кислотность почвы, продолжается дегумификация. В большинстве случаев указанные процессы в агропочвах происходят синхронно, что только усиливает негативный суммарный эффект на компоненты почвенного плодородия и механизмы его устойчивости. Это повышает уязвимость агропочв к другим неблагоприятным факторам.

Понятие устойчивости почвы должно быть достаточно многогранным и определяться всей сложностью ее структурной и функциональной организации, режимности, открытости и особенности ответных реакций на внешние факторы, как эволюционно обусловленные, так и другие, не связанные с факторами почвообразования. Поэтому для почв, близких к нативным, с природным характером их развития, эволюции понятия устойчивости можно свести к способности сохранения признаков в пределах классификационных выделов (тип, подтип и т.п.). Для антропогенно-преобразованных агрогенных почв, подверженных сильным внешним воздействиям, в том числе неблагоприятным, смысл формулировки устойчивости почвы должен быть близким к гомеостазу – явлению, характерному для биологических систем. Для этого лучше подходит следующее частное определение устойчивости почвы: способность противостоять внешним воздействиям, поддерживать имеющийся режим функционирования и относительное постоянство отдельных характеристик при небольшом изменении своего состава (буферность) и не снижать некоторый уровень плодородия [7, 8].

Большинство исследователей в своих работах по изучению буферных свойств показали определяющие факторы – удобрения, минералогический, гранулометрический состав и т.п. Однако учитывая, что система буферных показателей может считаться оценочным критерием устойчивости почв, т.к. в общем понимании буферность – это устойчивость системы к изменениям, вызываемым внешними факторами. Устойчивость почвенной системы во многом зависит от стойкости, относительной стабильности состава твердофазных компонентов, их функциональной активности, определяемые через показатели буферной способности. Первые прогнозы об ухудшении или деградации минерального комплекса почвы, органического вещества, снижении устойчивости можно также сделать, исходя из показателей буферной способности.

Проблему устойчивости почв широко обсуждают в научной литературе [7, 9–13]. Для определения меры устойчивости почв необходима разработка соответствующих моделей плодородия. Современные модели в большей степени указывают на уровни плодородия в соответствии с продуктивностью сельскохозяйственных растений [14]. В качестве дополнений к существующим моделям предлагается физико-химический блок, отражающий устойчивость почв, и включающий потенциальную калийную и фосфатную буферность, буферную способность к ТМ. Для всех отмеченных выше показателей буферность – это способность жидкой и твердой фаз противостоять изменению (поддерживать стабильность) концентрации катионов (K⁺, Н⁺, ионы ТМ) или анионов (${\text{Р О }}_{4}^{{3 - }}$) в почвенном растворе. По-видимому, устойчивым почвам соответствуют более высокие показатели потенциальной буферной способности, т.к. они отражают иной уровень адсорбционно-десорбционных процессов, состояние органического вещества, минерального комплекса.

Одновременно с момента организации Рязанского СХИ (1949 г.), впоследствии переименованного в Рязанский ГАТУ, на базе кафедр стали активно закладывать многолетние полевые стационарные опыты с удобрениями и способами обработки почв. К началу 2000-х гг. опыты с удобрениями практически исчерпали себя: установлена их агрохимическая, агроэкологическая эффективность (влияние на плодородие агросерой почвы, урожайность сельскохозяйственных культур в севооборотах). Определены агрохимические, агрофизические и другие параметры плодородия, систематизированные в форме модели для управления продукционным процессом на экономически оправданном уровне. Установлены оптимальные для агросерых почв южного Нечерноземья формы азотных, фосфорных и калийных удобрений. Однако ценность многолетних опытов на этом не заканчивается. За более чем 50-летний период воздействия на агросерую почву сложилась и в дальнейшем только усилилась пространственная неоднородность почвенных свойств. Это позволило сформулировать новые цели и задачи с учетом перестройки мировоззренческих взглядов на агропроизводство, со смещением их в сторону агроэкологии.

Цель работы – разработать подходы в моделировании плодородия агросерой почвы для оценки и прогноза ее устойчивости к неблагоприятным воздействиям.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования служила агросерая тяжелосуглинистая иловато-пылеватая почва. В 1970 г. профессор Л.В. Ильина заложила полевой многолетний (стационарный) опыт по комплексному окультуриванию агросерой почвы (опыт 1) с внедрением систем удобрения, обработки почв, севооборотов. Результаты ее исследований отображены в монографии [14]. Полевой зернопропашной севооборот включал в порядке последовательного чередования викоовсяную смесь (на сено), озимую пшеницу, картофель, ячмень и овес. В последнее время возделывали картофель сорта Невский, ячмень сорта Московский 2, вику сорта Льговская 31/292, овес сорта Горизонт, озимую пшеницу сорта Московская 39. Дозы удобрений рассчитывали на основании планируемого урожая и содержания элементов питания в почве. Опыт заложен методом расщепленных делянок, варианты обработки почвы в повторениях – методом рендомизации. Повторность четырехкратная. Размер делянки 3-го порядка – 465 м², учетной делянки – 100–250 м². В данном опыте практиковали органо-минеральную систему удобрения.

По инициативе профессора Е.А. Жорикова в 1962 г. был заложен многолетний опыт по изучению эффективности разных форм азотных удобрений (опыт 2). Для решения поставленных задач были взяты варианты без удобрений, с кальциевой селитрой (N_скц) и хлористым аммонием (N_x). Дозы удобрений показаны в табл. 1. Опыт заложен в четырехкратной повторности. Размер делянок 210 м².

Начиная с 1967 г., проводили испытание различных форм фосфорных удобрений (опыт 3). В настоящем исследовании были взяты варианты без удобрений и с применением двойного суперфосфата (Р_сд). Дозы удобрений показаны в табл. 1. Опыт заложен в четырехкратной повторности. Размер делянок 156.8 м².

Многолетний опыт по изучению влияния разных форм калийных удобрений (опыт 4) на продуктивность культурных растений в условиях агросерых тяжелосуглинистых почв был заложен в 1967 г. Н.И. Красеньковой. В настоящем исследовании был использован вариант с 40%-ной калийной солью на азотно-фосфорном фоне, включавший применение сернокислого аммония и простого суперфосфата. Опыт заложен в трехкратной повторности. Размер делянок 210 м². Подробно схема опытов 2, 3, 4 с минеральной системой удобрения приведена в работе [15].

В исследовании буферности почв кроме контроля вариантами были: на фосфорно-калийном фоне – применение хлористого аммония (фон РK + + N_x), кальциевой селитры (фон РK + N_скц), на азотно-калийном фоне – суперфосфат двойной (фон NK + Р_сд). В исследованиях буферной способности к ТМ выбрали вариант комплексного применения минеральных удобрений, включавший аммиачную селитру, калийную соль и суперфосфат двойной. Данные удобрения использованы в опытах по определению фосфатной и калийной буферности, минералогических и других показателей.

Для изучения органической системы удобрения включили в сравнительный анализ высокоплодородный вариант агросерой почвы, характеризирующий потенциальные, экологические, продукционные и иные возможности плодородия. Для этого был заложен полевой опыт (опыт 5) по интенсивному окультуриванию агросерой почвы. Схема опыта включала 2 варианта: без удобрений, отражающий, судя по агрохимическим сведениям, неплодородную почву (НП), и с навозом (ПП). Для этого на протяжении 5 лет в агросерую почву ежегодно вносили под картофель подстилочный навоз КРС из расчета 40 т/га. Контрольный вариант представляла почва, в которую за последние 10 лет удобрения не вносили. Опыт заложен в трехкратной повторности методом рендомизации. Размер делянок 300 м². Агрохимическая характеристика почвы показана в табл. 2.

Для изучения влияния плодородия агросерой почвы на устойчивость к подкислению использованы почвенные образцы опыта 5 для прогнозирования изменения емкости буферности к подкислению (ЕБк). Для этого провели модельное подкисление почвы разбавленной соляной кислотой, изменив начальную точку титрования. Кислотная нагрузка составила 4.7 × 10^–6 М/100 г (рН₁), 11 × 10^–6 (рН₂) и 30 × 10^–6 (рН₃) М/100 г, что было эквивалентно величинам рН 5.33, 4.96 и 4.52. Контроль – фоновая кислотность (рН₀) (лабораторный опыт 5.1).

Длительное применение минеральных и органических удобрений на опытных полях привело к формированию различных в вариантах агрохимических свойств почв. Их пространственная вариабельность позволила установить корреляционные связи с буферными свойствами почвы.

Лабораторные анализы осуществляли общепринятыми методами и по соответствующим ГОСТам. В почвенных образцах определяли обменную кислотность рН_KCl – потенциометрическим методом (ГОСТ 26483-85), гидролитическую кислотность – по методу Каппена в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26212-91), актуальную кислотность – по методике, описанной в практикуме [16], сумму поглощенных оснований – по методу Каппена–Гильковица в модификации ЦИНАО (ГОСТ 27821-88), гумус – по Тюрину в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26213-91), подвижные Р₂О₅ и К₂О – по Чирикову в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26204-91), легкоподвижный калий (К₂О_легк) – извлечением калия вытяжкой 0.01 М CaCl₂ (ОСТ 10-271-2000), степень подвижности фосфатов – по методу Карпинского–Замятиной в вытяжке 0.015 М K₂SO₄ (фактор интенсивности) при соотношении почвы к раствору 1 : 5. При определении фосфатной буферности использовали вытяжку 0.01 М CaCl₂ (Р_равн) [16].

Потенциальную буферную способность по отношению к калию (линейную) определяли по [17]. Для получения Q/I-изотерм серию навесок каждого образца почвы перемешивали в течение 30 мин с 10 мл раствора 0.01 М CaCl₂, содержащего различное количество калия (раствор KСl от 0.2 до 1.0 мг-экв/л). В равновесных растворах определяли величины ±ΔK и AR. Показатель ±∆K представляет собой количество подвижного калия, которое почва отдает (–ΔK) или поглощает (+ΔK) к моменту установления равновесия между калием почвы и калием раствора, показатель AR равен отношению активностей ионов калия и кальция. Изотерму сорбции, представляющую собой линию, прямую в верхней части и изогнутую в нижней, строили в координатах ∆K и AR. Пересечение ее с осью абсцисс дает величину AR₀, соответствующую отношению активностей аK + $\sqrt {{\text{а С }}{{{\text{а }}}^{{2 + }}}} $ в растворе CaCl₂–KCl, при котором почва не поглощает и не отдает калий. На основе сорбционной кривой рассчитывали непосредственно доступный калий –ΔK₀. Отношение ‒ΔK₀/AR₀ выражало потенциальную буферную способность почв в отношении калия.

Для изучения влияния содержаний калия, гумуса, кислотности (почвенные условия) на формирование калийной буферности с опытных участков были отобраны почвенные образцы. Образцы отличались по содержанию подвижного калия (от 8.0 до >20 мг/100 г), легкоподвижного – (от 0.3 до 2.0 мг/100 г), гумуса – (от 1.7 до 5.0%), обменной кислотности (в солевой вытяжке) – от рН_KCl 4.4 до 6.2. Вариация позволила определить различные комбинации условий, и на их основе установить линейные математические зависимости калийной буферности и ее компонентов (факторы емкости и интенсивности) от содержания калия, величины рН, содержания гумуса, а также сделать приближенные (ориентировочное) прогнозные оценки изменения калийной буферности от отмеченных агрохимических показателей. Потенциальную буферную способность почв по отношению к фосфору (PBC^Р) определяли по [17].

Устойчивость почвы к загрязнению оценивали параметрами изотерм адсорбции ТМ – максимальной адсорбции и буферной способности в области низких исходных концентраций катиона ТМ (цинка) – от 0 до 0.31 мМ/л при соотношении почва : раствор = 1 : 20 [6, 18] и в области высоких концентраций – от 0 до 50 мМ/л при соотношении почва : раствор = 1 : 10. Находили точки пересечения касательной, проведенной при равновесной концентрации ТМ 5.0, 10 и 20 мМ/л. В этом случае буферную способность (БС) определяли как тангенс угла наклона.

Для определения буферности к подкислению использовали метод непрерывного потенциометрического титрования (НПТ) [18]. О величине емкости буферности к подкислению (ЕБк) судили по количеству титранта, необходимого для изменения рН на заданную величину.

Для статистической обработки экспериментальных данных применяли методы дисперсионного, корреляционного, регрессионного и других видов статистического анализа [19, 20] с использованием программного комплекса “STATISTICA”.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Устойчивость почвы к подкислению. К настоящему времени в Рязанской обл. средневзвешенная величина рН пахотных почв составляет 5.3. На долю кислых почв приходится ≈73%, из них сильнокислых почв – 4, среднекислых – 26, слабокислых – 42%. В некоторых районах с выщелоченными и оподзоленными черноземами доля почв с рН < 5.5 доходит до 80–90%. Средневзвешенная величина рН под сенокосами еще меньше – 4.7 ед.

Для установления зависимости ЕБк от количества поглощенных оснований, разных видов кислотности были проанализированы почвенные образцы, отобранные в многолетних опытах 2, 3 и 4. Установлена зависимость ЕБк от содержания поглощенных оснований – y = 7.7 + 3.6х (r = 0.77), кислотности (рН_KCl) – y = –122.5 + 39.3х (r = = 0.89), актуальной кислотности (${\text{р }}{{{\text{Н }}}_{{{{{\text{Н }}}_{{\text{2}}}}{\text{О }}}}}$) – y = = –170.4 + 39.5х (r = 0.90), гидролитической кислотности – y = 134.4 – 12.4х (r = –0.85).

В контроле содержание гумуса было равно 2.1–2.2%, рН_KCl 5.5–5.7, ЕБк – 7.6 мМ-экв/100 г. При подкислении агросерой почвы до рН 4.4 (длительное внесение хлористого аммония) величина ЕБк снизилась в 1.8 раза – до 4.2 мМ-экв/100 г. С увеличением содержания гумуса в почве до 3.0% при рН_KCl 5.9 (опыт 1 с органо-минеральной системой удобрения) показатель ЕБк улучшился и составил 10.8 мМ-экв/100 г. При дальнейшем увеличении содержания гумуса до 5.4% (опыт 5) ожидали величину ЕБк на уровне 46.3 мМ-экв/100 г. (различия в сравнении с контрольным вариантом были достоверными при p < 0.05).

В неплодородной (неокультуренной) и плодородной (окультуренной) агросерой почве, несмотря на близкие для них величины начальной точки титрования (НТТ) (рН 7.3–7.4), показатель общей буферности к подкислению между вариантами различался на 30 мМ-экв/кг. Более высокие интервальные изменения буферности свидетельствовали о лучшем состоянии почвенных компонентов плодородной почвы, ответственных за реализацию процессов нейтрализации ионов водорода. После воздействия кислоты на почву ЕБк снизилась во всех вариантах, но в большей степени в неплодородной почве при кислотных нагрузках 4.7, 11.9 и 30 М/100 г. ЕБк составила в неплодородной почве 57, 45 и 48 мМ-экв/кг, в плодородной – 175; 165 и 155 мМ-экв/кг соответственно.

Агрохимический аспект устойчивости. К настоящему времени созданы условия для истощения почв. Среднее содержание подвижного фосфора в пахотных почвах Рязанской обл. составляет ≈11.0 мг/100 г почвы с наибольшими показателями (>10 мг/100 г) в дерново-подзолистых и агросерых почвах. В черноземах выщелоченных и оподзоленных содержание фосфора в большинстве случаев не превышает 10 мг/100 г. На долю почв со средним содержанием фосфора приходится 36, с повышенным – 18%. Каждое 5-е поле имеет очень низкое и низкое содержание фосфора.

Средневзвешенное содержание подвижного калия в пахотных почвах области варьирует от 8 до 14 мг/100 г. На долю почв I и II классов обеспеченности приходится 28, III класса – 32%. Поэтому целесообразно показать зависимость калийной и фосфатной буферности от основных агрохимических свойств почв.

Проблеме калийного состояния почв посвящены многочисленные исследования [21–24]. В них отмечено влияние удобрений на калийный режим, формы почвенного калия, калийную буферность.

Калийная и фосфатная буферность, как показатели межфазовых взаимодействий, являются количественной мерой устойчивости питания сельскохозяйственных растений калием и фосфором. Более широкая вариация почвенных свойств и их разные комбинации позволяют рассчитать корреляции калийной и фосфатной буферности и ее компонентов от агрохимических свойств почв.

От содержания гумуса (х) зависит активность калия, при котором почва не поглощает и не отдает калия (AR₀). Уравнение регрессии имеет вид: y = –0.0098 + 0.0046x. Предложено для средней и высокой степени устойчивости функционирования агросерых суглинистых почв уровень величины AR₀, соответствующий 2.0–4.0 и 4.0–7.0 × × 10^–3 М/л^0.5 [25]. В исследованном случае такие величины активности возможны при ориентировочном содержании гумуса 2.5–2.9% и 2.9–3.5% соответственно.

Исходя из зависимости AR₀ от К₂О_подв, имеющей вид y = –0.0045 + 0.0004x, содержание последнего должно быть для средней степени устойчивости ≥17–22 мг/100 г, для высокой – 22–30 мг/100 г.

При содержании гумуса <2.5% вероятная величина AR₀ составит 1.7 × 10^–3 М/л^0.5, что соответствует низкой степени устойчивости; если содержание гумуса >2.5%, то AR₀ превысит 10 × 10^–3 М/л^0.5; величины показателей –∆K (десорбционная ветвь) и +∆K (адсорбционная ветвь) при содержании гумуса <2.5% ожидаются соответственно ≈0.061 и 22.7 мг-экв/100 г, при содержании гумуса >2.5% – 0.090 и 15.6 мг-экв/100 г (табл. 3).

При содержании К₂О_подв >10 мг/100 г и от 10 до 20 мг/100 г почвы степень устойчивости была низкой, т.к. по расчетам AR₀ не превышала 2.0 × × 10^–3 М/л^0.5. Если содержание К₂О_подв > 20 мг/100 г, то можно достичь высокой степени устойчивости почвы по показателю AR₀, величина которой превышает 7 × 10^–3 М/л^0.5. При различных комбинациях содержаний К₂О_подв и гумуса получена следующая закономерность: максимальное повышение AR₀ до 16.5 × 10^–3 М/л^0.5 при увеличении количества гумуса (>2.5%) отмечено только на фоне обеспеченности агросерой почвы К₂О_подв не меньше средней.

Полученные величины AR₀ при математической обработке, включавшей комбинации содержаний К₂О_подв и гумуса <2.5%, были меньше по сравнению с расчетами без учета содержания гумуса. Сравнение этих величин позволило оценить участие гумуса в формировании показателя AR₀. Для диапазона 10 > К₂О > 0 вклад гумуса составил 26, при содержании К₂О >20 мг/100 г – 12%.

Уравнением Дубинина–Радушкевича была аппроксимирована та ветвь экспериментальной изотермы, которая проходит выше оси абсцисс (+∆K) и указывает на адсорбцию калия. Знак коэффициента регрессии в уравнении y = 28.5 – 2.8x позволил заключить, что чем кислее почва, тем больше поглощается калия. Установлено, что если содержание гумуса <2.5% и рН_KCl < 4.5, то величина –∆K возрастала в 1.8 раза (до 0.07 мг-экв/100 г) по сравнению с рН_KCl >4.5. В кислой среде ожидали также увеличение поглощения калия на 2.0–3.0 мг-экв/100 г (+∆K = 20 мг-экв/100 г).

Показатель потенциальной буферной способности по отношению к калию (PBC^K) возрастал при увеличении содержания гумуса в почве. В 44% случаев при содержании гумуса <2.5% величина PBC^K превышала 20 ед., при этом содержание К₂О_подв в области рН_KCl <5.0 изменялось от 8 до 15 мг/100 г, при рН_KCl > 5.0 – от 19 и больше. В 32% случаев содержание гумуса более, чем 2.5%, привело к увеличению PBC^K > 20 ед., однако это было возможно только при обеспеченности почвы К₂О_подв ниже средней.

В 40% случаев PBC^K возросла до 41 ед. на фоне обеспеченности калием, не превышающей 20 мг/100 г, что было обусловлено не только незначительной активностью калия, но и низким содержанием гумуса (<2.5%), т.е. дегумификацией илистых фракций, о чем свидетельствовали высокий показатель +∆K – 18–20 мг-экв/100 г. Такая же величина PBC^K (41 ед.) для агросерой почвы могла быть при высокой ее обеспеченности калием и гумусом (3.0% и больше).

Исходя из полученных экспериментальных данных и учитывая приемлемую для средней степени устойчивости агросерой почвы относительную активность калия, равную 0.002–0.003 М/л, рассчитали необходимое содержание гумуса и К₂О_подв – 2.6–2.8% и 17.1–19.7 мг/100 г соответственно. При таких показателях вероятная величина ∆K составила 0.044–0.060 мг-экв/100 г. В соответствии с приведенными расчетами, основанными на регрессионных уравнениях, показатель РБС^K = 22. Это не самый оптимальный показатель буферной способности, т.к. есть возможность в агросерой тяжелосуглинистой почве за счет комплексного ее окультуривания повысить показатель +∆K до 0.09 мг-экв/100 г. При такой сорбционной способности содержание гумуса должно быть равно 3.9%, содержание K₂О_подв – 26 мг/100 г. Если принять за среднюю степень устойчивости AR₀ = 0.002–0.003 М/л, то величина РБС^K составит 30–45 ед.

Следовательно, устойчивость калийного режима складывалась при содержании гумуса в агросерой почве >2.0%, К₂О_подв – ≥17–20 мг/100 г и рН_KCl >5.0. Увеличение содержания гумуса приводило к повышению AR₀ и улучшению функционального состояния ППК. При содержании К₂О_подв и К₂О_легк в почве соответственно <12 и 1 мг/100 г AR₀ элемента была крайне низкой (0.5–0.7 × 10^–3 М/л). При возрастании количества К₂О_подв в 2 раза величина AR₀ возросла в 7 раз, –∆K₀ – в 10 раз, PBC^K – в 2.2 раза (табл. 4).

Считается, что наиболее благоприятным фосфатным режимом обладает почва с относительно высокими буферными свойствами, обусловленными не поглощением фосфора твердой фазой, а его десорбцией. В настоящем исследовании, проведенном на агросерых тяжелосуглинистых почвах, в 36% случаев имело место одновременное увеличение содержания фосфора в растворе ППК и показателя PBC^Р относительно контроля, равного 25 мл/г. Оптимальные условия для этого были следующими: содержание гумуса – в среднем 3.0%, рН_KCl ≈5.3, содержание равновесного фосфора (Р_равн) – 0.15 мг/л. В 32% случаев происходило уменьшение как показателя PBC^Р, так и величины y₀ при условии, если содержание гумуса <2.5%, Р_равн <0.11 мг/л и возрастания кислотности почвенного раствора до рН_KCl 4.6. Установлено, что если содержание Р_равн ≤0.11 мг/л, гумуса ≤2.5%, то величина начальной адсорбции фосфора (Q₀) составит 0.68 мг/100 г. Если величины отмеченных выше параметров увеличивались соответственно до 0.15 мг/л и 3.5%, то показатели Q₀ возрастали до 1.35 мг/100 г и PBC^Р – с 34 до 45 мл/г. Принимали величины PBC^Р = 34–45 мл/г, Q₀ = 0.6–1.3 мг/100 г и концентрацию Р_равн = 0.1–0.2 мг/л за средний уровень устойчивости агросерой почвы, меньшие величины показателей – за низкий уровень.

Устойчивость почвы к загрязнению. В табл. 5 представлены параметры, характеризующие адсорбцию почвой ТМ. Агросерая почва обладала наибольшей адсорбирующей способностью к свинцу, менее – к кадмию, цинку и меди. В контроле Q_maх составила соответственно в порядке указанных элементов 132 мМ/кг (27 мг/кг), 93 (10), 125 (8) и 103 мМ/кг (7 мг/кг); при применении минеральной системы удобрения – 61 (13), 85 (10), 143 (9) и 102 мМ/кг (6 мг/кг) соответственно.

Ослабления устойчивости агросерой почвы к загрязнению цинком и медью при длительном внесении минеральных удобрений не установлено, т.к. величина максимальной адсорбции (Q_max) для цинка превышала Q_max в контрольном варианте на 18 мМ-экв/кг, для меди была близкой к нему (123–125 мМ-экв/кг). Вызывало опасение загрязнение почвы кадмием и в особенности свинцом: Q_max составила всего 61 мМ-экв/кг (по Ленгмюру).

Результаты исследования позволили выделить 3 уровня устойчивости агросерой почвы к загрязнению с учетом конкретных почвенных условий. Низкий уровень устойчивости почвы проявлялся при величине Q_max (по Ленгмюру) < 91 мМ/кг для цинка, <104 мМ/кг для меди, <93 мМ/кг для свинца и <61 мМ/кг для кадмия; средний уровень устойчивости обеспечивался для цинка, меди и свинца в диапазоне от 91 до 143 мМ/кг, 104–130 мМ/кг и 61–132 мМ/кг соответственно; высокий уровень устойчивости почвы был гарантирован, если величина Q_max превышала 93–143 мМ/кг для всех изученных ТМ.

Для достижения среднего уровня устойчивости величина показателя буферной способности агросерой почвы не должна быть меньше (по изотерме адсорбции в точке концентрации 10 мМ/л) 2 л/кг для цинка, меди, кадмия и свинца. Превышение величины РБС^ТМ, равной 2–4 л/кг, означал переход на высокий уровень устойчивости.

Модель устойчивости агросерой почвы. Настоящее исследование было проведено на базе многолетних стационарных опытов с удобрениями, длительность которых составила >40 лет. За это время в агросерой почве опытной станции сложились различные вариации почвенных условий с содержанием гумуса, подвижных форм фосфора и калия, кислотностью и т.п. Опыт с органическими удобрениями по окультуриванию агросерой почвы указанные вариации расширил, разнообразил. Это дало основание для установки влияния основных почвенных свойств на формирование различных показателей буферности, которые отражают устойчивость почв к неблагоприятным воздействиям – возможному истощению элементами питания, загрязнению ТМ, подкислению. Хорошо известно, что из почвенных компонентов самыми высокими показателями емкости катионного обмена обладают гумусовые вещества, но на их сорбционные свойства большое влияние оказывают условия среды, например, кислотность. Во многом от содержания гумуса будет зависеть формирование показателей буферности, устойчивости почвы. Поэтому одним из главных критериев градации устойчивости является содержание гумуса. В опытах его содержание менялось от 2 до 5%. Для агросерой тяжелосуглинистой почвы 2% гумуса и меньше – низкие показатели [14]. По-видимому, такие почвы не будут обладать надежной устойчивостью, в особенности на фоне повышенной кислотности. В этой связи отметим такую устойчивость как низкую. В агросерой почве можно поддерживать содержание гумуса на уровне 3.0%. В этом случае возьмем за основу средний уровень устойчивости. В производственных условиях агросерые почвы Рязанской обл. обычно не содержат гумуса >3%. Однако эту величину не следует считать предельной. Повышение содержания гумуса в почве, указывающее на высокую культуру земледелия, создает условия для улучшения буферных свойств. В этом случае уровень устойчивости почв можно расценить как высокий. При всех уровнях градации проводили поправки на кислотность, содержание подвижных форм элементов питания, которые оценивали показателями буферности. Поэтому при разработке модели устойчивости агросерой почвы учитывали динамичность комплекса почвенных условий.

Современные модели плодородия в основном включают агрохимические, физические, биологические и другие показатели, которые позволяют оценить, спрогнозировать уровень продукционного процесса сельскохозяйственных растений. Наша модель указывает на условия, необходимые для реализации устойчивого продукционного процесса.

Количественной и качественной мерами реализации механизмов устойчивости являются предложенные в табл. 6 показатели, отражающие 3 уровня устойчивости почвы: относительно низкий, средний и высокий. Длительность полевых многолетних опытов и их схемы позволили получить достоверный экспериментальный материал и в сравнительном изучении вариантов ранжировать как минимум 3 состояния указанных физико-химических параметров, а значит функционирования почвы, соответствующие условно низкому, среднему и высокому уровням устойчивости.

При активности калия <2 М/л × 10^–3 (PBC^K < < 24), 2–4 М/л × 10^–3 (45 > PBC^K > 24) и более 4 М/л × 10^–3 (PBC^K < 24) достигаются соответственно низкий, средний и высокий уровни устойчивости агросерой почвы.

При Р_равн в вытяжке 0/01 М CaCl₂, емкости десорбции и потенциальной буферной способности <0/1 мг/л, 0/7 мг Р₂O₅/100 г и 34 мл/г соответственно степень устойчивости агросерой почвы расценивается как низкая. Средний уровень устойчивости обеспечивается при Р_равн от 0.1 до 0.2 мг/л, Q₀ – от 0.7 до 1.4 мг Р₂O₅/100 г и PBC^Р – от 34 до 45 мл/г; высокий уровень устойчивости при Р_равн > 0.2 мг/л, Q₀ > 1.4 мг Р₂O₅/100 г и PBC^Р > > 45 мл/г.

Если величины буферности к подкислению находятся в диапазоне 9.0–11 мМ-экв/100 г, то достигается средний уровень устойчивости почвы. При этом поглощенных оснований должно быть ≥20 мг-экв/100 г. Не рекомендуется снижение емкости буферности к подкислению до величин <9 мМ-экв/100 г.

С учетом динамического состояния почв предложенная модель плодородия является ориентировочной для агросерой тяжелосуглинистой почвы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Агросерые почвы южной части Нечерноземной зоны РФ в целом характеризуются как среднекислые. В структуре пахотных почв они занимают 38%. На фоне дегумификации почв, применения физиологически кислых удобрений буферность к подкислению агросерых почв ухудшалась за счет уменьшения емкости буферности к кислоте. Длительное использование хлористого аммония в дозе 60 кг д.в./га могло снизить величину рН агросерой тяжелосуглинистой почвы при содержании гумуса от 2.1–2.2% до 4.4, емкости буферности к кислоте – до 4.17 мМ-экв/100 г. Для сравнения при рН 5.7 емкость буферности составляла 7.63 мМ-экв/100 г.; при кислотности почвы близкой к нейтральной, но увеличении содержания гумуса до 3.0%, величина емкости буферности к кислоте могла повыситься до 10.8 мМ-экв/100 г.

Низкий уровень устойчивости почвы проявлялся при величине максимальной адсорбции по Ленгмюру <91 мМ/кг для цинка, <104 мМ/кг для меди, <93 мМ/кг для свинца и <61 мМ/кг для кадмия; средний уровень устойчивости обеспечивался для цинка, меди и свинца в диапазоне от 91 до 143 мМ/кг, 104–130 мМ/кг и 61–132 мМ/кг соответственно; высокий уровень устойчивости почвы был гарантирован, если показатель максимальной адсорбции превышал 93–143 мМ/кг для всех изученных тяжелых металлов.

Для достижения среднего уровня устойчивости величина буферной способности агросерой почвы не должна быть меньше (по изотерме адсорбции в точке концентрации 10 мМ/л) 2 л/кг для цинка, меди, кадмия и свинца. Превышение величины буферной способности к ТМ 2.0–4.0 л/кг означало переход на высокий уровень устойчивости.

Для достижения оптимальной активности калия 0.002–0.0035 М/л, содержание гумуса должно быть ≥3.0%, подвижного калия – 20 мг/100 г. При повышении содержания гумуса 3.0% (≤3.5%) и подвижного калия 20 мг/100 г показатель потенциальной буферной способности по отношению к калию (РВС^K) увеличивался в 2 раза (с 20–24 до 40–45). При таком диапазоне достигалась относительная активность калия в пределах 0.002–0.003 М/л.

Наибольшая величина потенциальной буферной способности к фосфору достигалась при содержании гумуса и равновесного фосфора в почве >2.5% и 0.11 мг/л соответственно. Изменение показателя PBC^Р в отмеченных условиях было обусловлено увеличением десорбционной способности до 1.9 мг/100 г. При содержании гумуса <2.5%, равновесного фосфора > 0.11 мг/л десорбция фосфора составила 1.5 мг/100 г. Аналогичная закономерность установлена и для содержания гумуса >2.5% и рН_KCl > 4.5. Поэтому повышение содержания в почве органического вещества, фосфора, снижение кислотности способствовало улучшению буферных свойств агросерой почвы.

В итоге разработана ориентировочная, ранжированная на 3 уровня модель устойчивости агросерой тяжелосуглинистой почвы: низкий, средний и высокий уровни. Если общая емкость буферности к кислоте находилась в диапазоне 9–11 мМ-экв/100 г, то достигался средний уровень устойчивости почвы. При этом поглощенных оснований должно было быть ≥20 мг-экв/100 г.

Для достижения среднего уровня устойчивости величина буферной способности агросерой почвы не должна быть меньше (на примере изотерм адсорбции в точке концентрации 10 мМ/л) 2 л/кг для цинка, меди, кадмия и свинца. Превышение величины буферности к тяжелым металлам 2.0–4.0 л/кг означало переход на высокий уровень устойчивости.

При активности калия <2 М/л × 10^-3 (PBC^K < < 24), 2–4 М/л × 10^–3 (45 > PBC^K > 24) и >4 М/л × × 10^–3 (PBC^K < 24) достигались соответственно низкий, средний и высокий уровни устойчивости агросерой почвы.

Средний уровень устойчивости обеспечивался при содержании равновесного фосфора от 0.1 до 0.2 мг/л, емкость десорбции фосфора – от 0.7 до 1.4 мг Р₂О₅/100 г и PBC^Р – от 34 до 45 мл/г; высокий уровень устойчивости – при равновесной концентрации фосфора >0.2 мг/л, емкости десорбции >1.4 мг Р₂О₅/100 г и PBC^Р > 45 мл/г.