Агрохимия, 2019, № 7, стр. 16-26

ВВЕДЕНИЕ

Ранее в работах [1–3] нами была описана миграционная концепция доступности веществ почвы корням растений, изложены ее теоретические и методические предпосылки. Согласно этой концепции, правомерно считать миграционно доступным растению то количество вещества почвы, которое способно подойти к поверхности корня в результате всех возможных почвенных процессов (диффузии в почвенном растворе и адсорбированном состоянии, десорбции и вторичной сорбции, растворения и вторичного осаждения, микробиологических превращений, переноса с потоком поглощенной корнем воды).

Настоящая работа продолжает серию публикаций [4, 5] по сравнению миграционной доступности (МД) калия в почвах с различным гранулометрическим составом в различных вариантах полевых опытов с удобрениями.

Результаты ранее проведенных исследований на 3-х легких почвах показали неустойчивость корреляционных связей между МД калия, его поступлением в проростки зерновых, традиционными формами почвенного калия, другими свойствами почв. Цель настоящей работы – оценить подобные взаимосвязи для 3-х суглинистых почв.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Методика исследования подробно описана в [4]. Напомним кратко ее основные моменты. На установке типа капилляриметра в лабораторных условиях насыпные образцы почв омывали с поверхности потоком дистиллированной воды и оценивали количество смытого калия (Q) за заданное время (до 4 сут). По этому количеству рассчитывали коэффициенты диффузии калия в почве в пересчете на разные формы его содержания в почве (от валового до легкоподвижного). Свойства почв и формы калия определяли в основном традиционными методами. Вегетационные опыты с проростками зерновых (возрастом до 21 сут) проводили в сосудах Вагнера. Для растений определяли содержание N, Р, K, биомассу, общую и рабочую (поглощающую) поверхность корней по Колосову [6]. Для расчетов использовали модели диффузии, динамики корневых систем [7] и динамики корневого поглощения веществ растениями [8].

Образцы пахотного горизонта светло-серой лесной легкосуглинистой почвы были отобраны в 1999 г. в вариантах длительного полевого опыта Нижегородской СХА, заложенного в 1964 г. в учебно-опытном хозяйстве “Новинки” (Богородский р-н Нижегородской обл.). Почва сформирована на лессовидных покровных суглинках (тип агроземов текстурно-дифференцированных или тип агродерново-подзолистых почв в зависимости от глубины вспашки – по Классификации почв России [9]). Исследовали образцы вариантов: контроль (без удобрений), NPK, навоз, NPK + + навоз. Дозы минеральных удобрений (N_а – до 1992 г., N_аа – с 1992 г., Р_сдг, K_х) – 45–90 кг д.в./га в зависимости от культуры севооборота, доза полуперепревшего подстилочного навоза КРС – 40 т/га под одну из культур севооборота. Севооборот плодосменный с чередованием культур: озимая пшеница, картофель, овес, травы, травы (в качестве трав поочередно использовали клевер 2-х лет пользования или викоовсяную смесь и клевер 1-го года пользования).

Образцы дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы были отобраны в 1983 г. и любезно предоставлены В.Г. Граковским из вариантов длительных опытов Долгопрудной опытной станции (ДАОС) Московской области [10]: контроль, 3(NPK), известь, навоз, навоз + 3(NPK). Варианты выбраны контрастно из разных опытов.

Образцы дерново-слабоподзолистой среднесуглинистой почвы отобраны около 2000 г. и любезно предоставлены Н.С. Алметовым из вариантов опыта Марийской республиканской станции химизации сельского хозяйства (колхоз “Первое мая” Новотарьяльского р-на Республики Марий-Эл) [11]: усиленная и минимальная обработки почвы с 2-мя дозами удобрений (1 и 2). Почва – малогумусная на покровном суглинке, подстилаемом пермскими карбонатными глинами. Севооборот – зернопропашной.

Условия проведения десорбционных опытов для определения миграционной доступности приведены в табл. 1.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Представлены химические, физико-химические и агрохимические характеристики образцов почв (табл. 2–4). Там, где имелась информация, приведены также допустимые межлабораторные расхождения методов анализа для бесповторных определений (Д_ан).

Валовые составы (табл. 2) и совокупность агрохимических и физико-химических свойств почв (табл. 3, 4) были проанализированы методами оценки сходства всей совокупности вариантов и методом главных компонент (МГК). Результаты такого анализа неоднозначны. По валовому составу образцы почв из Новинок четко отличались от образцов из ДАОС по первой главной компоненте (ГК1) бо́льшим содержанием CaO, MgO, MnO и ме́ньшим – SiO₂. В то же время, по величине второй главной компоненты (ГК2) образцы из ДАОС были намного ближе друг другу, чем образцы из Новинок; последние сильно растянуты в том же порядке, что записаны в табл. 2 (т.е. разделялись образцы вариантов без навоза и с навозом). Основным разделяющим показателем по ГК2 для образцов из Новинок оказалось содержание TiO₂ – его несколько меньше в вариантах с навозом, а для образцов из ДАОС – содержание Al₂O₃. Напомним, что валовые содержания макроэлементов отражают в основном генетическую характеристику почв, в том числе, почвообразующих пород.

По-другому выглядит ситуация при рассмотрении совокупности агрохимических и физико-химических свойств образцов почв. По первым двум ГК (охватывающим 89% вариации показателей) образцы из ДАОС расположены между образцами из Новинок и Марий-Эл, причем только образцы из Новинок образуют компактную группу с уровнем сходства ≥87%. Образцы из ДАОС и Марий-Эл образовали довольно рыхлые группы, внутри которых варианты с NPK (ДАОС) отделяются от других, а для Марий-Эл разделяются образцы с 1-й и 2-й дозами удобрений, а не с разными обработками. Три территории опытов разделяются (в виде тенденции) ростом содержания калия по Пчелкину и по Масловой: Новинки ≤ ≤ ДАОС ≤ Марий-Эл, а варианты внутри территорий – довольно четко по содержанию легкоподвижного калия.

По последней совокупности показателей наиболее высокие и значимые корреляции (Р = 0.99) найдены между емкостями обмена Са и K, а также между тремя показателями подвижности калия (по Пчелкину, по Масловой и легкоподвижного). Менее тесная и менее значимую корреляцию (Р = = 0.95) отметили между содержанием калия по Пчелкину и емкостями обмена Са и K. Таким образом, несмотря на высокую корреляцию между формами калия, эти формы, в первую очередь, но по-разному повлияли на разделение всей совокупности образцов почв между территориями и внутри территорий.

Результаты десорбционных экспериментов представлены в табл. 5, а рассчитанные по кинетическим кривым десорбции и содержаниям различных форм калия коэффициенты диффузии (D) последнего в образцах почв – в табл. 6.

С помощью многофакторного дисперсионного анализа [13] была проанализирована зависимость среднего потока калия (q_дес) из почв (табл. 5) от совокупности агрохимических и физико-химических показателей (табл. 3, 4) всех изученных образцов почвы. Найдена наиболее тесная связь со всеми 3-мя формами калия (по Пчелкину, по Масловой и легкоподвижного), причем влияния этих показателей на средний поток очень тесно коррелировали между собой; влияние других показателей было значительно меньше и менее значимо. Для построения регрессионного уравнения за основу был взят обменный калий по Масловой, получено уравнение с хорошими статистическими характеристиками:

где средняя ошибка уравнения – 0.61, уровень значимости уравнения – 0.01, R² = 0.91. Здесь q_дес – средний поток калия (мкг/см²/сут), K (Маслова) – мг K/кг почвы. Из уравнения видно нелинейное изменение среднего потока от содержания обменного калия и величины рН.

По литературным данным, обобщенным в [3], коэффициенты диффузии калия в суглинистых почвах при комнатной температуре имели порядок 10^–8 – 10^–7 см²/с, следовательно, использование в нашем случае для расчета D содержания валового калия дает неприемлемые результаты (D порядка 10^–13 см²/с) (табл. 6). Приемлемый выбор других форм почвенного калия требует дополнительного обоснования.

Предлагаем для такого выбора опираться на известное выражение для коэффициента диффузии вещества в адсорбирующей двухфазной среде [14, 15]:

где D₁ и D₂ – коэффициенты диффузии в растворе и адсорбированном состоянии, (l₀/l₁)² и (l₀/l₂)² – коэффициенты извилистости при диффузии в этих состояниях, Θ₁ и Θ₂ – объемные доли раствора и адсорбирующей твердой фазы, K_p – коэффициент распределения диффундирующего вещества между твердой фазой (адсорбированным состоянием) и раствором.

Так как известно, что основное количество подвижного калия находится в адсорбированном (в том числе, обменном) состоянии, то Θ₂K_p$ \gg $ Θ₁ и формулу (1) можно переписать в виде

который может быть представлен как регрессия D на 1/K_p с коэффициентом регрессии D₁(l₀/l₁)²(Θ₁/Θ₂) и свободным членом D₂(l₀/l₂)², которые в свою очередь можно приблизительно принять слабо меняющимися в рамках данной серии суглинистых образцов. Переменный же коэффициент распределения можно связать с измеренными формами калия. В первую очередь можно принять K_p = K(Пчелкин)/K(CaCl₂) или K(Маслова)/K(CaCl₂), предполагая, что легкоподвижный калий соответствует почвенному раствору. Однако расчет D из экспериментальных данных по десорбции через K(CaCl₂) дал порядок величины 10^–8 см²/с, что значительно меньше, чем известно для воды и разбавленных растворов (10^–5 см²/с) (табл. 6) [3]. Следовательно, хлоркальциевая вытяжка затрагивает хотя бы частично сорбированный калий, и предложенные выше выражения для K_p вероятно занижены. Поэтому предложено умножить их дополнительно на величину D₁/D(CaCl₂), отражающую некоторым образом вышеуказанное обстоятельство. В результате получим для регрессии формулу или аналогичную для K(Маслова) вместо K(Пчелкин). При этом существенно важно, что оба члена формулы регрессии должны быть по смыслу положительными.

Перебор всех возможных вариантов расчетов по этой формуле для разных D из табл. 6 и двух вариантов K_p, указанных выше, показал лишь 2 подходящих варианта: а) при использовании D(Маслова) и K(Пчелкин) и б) при использовании D(CaCl₂) и K(Маслова). Для них коэффициенты регрессии положительны, величины D₂(l₀/l₂)² получились 0.15 × 10^–8 и 0.82 × 10^–8 см²/с (что приемлемо и лишь несколько меньше того, что было ранее найдено для ⁹⁰Sr [16]), а рассчитанный по коэффициенту регрессии b коэффициент диффузии для почвенного раствора D₁ равен (2.4–5.2) × × 10^–5 см²/с (что почти совпадает со справочными данными для калия [3]). Таким образом, используя данный полуэмпирический подход, выяснилось, что для расчета коэффициента диффузии калия в данных почвах на основе десорбционных опытов оказалось приемлемым использовать только обменный калий по Масловой и легкоподвижный калий хлоркальциевой вытяжки.

Для этих 2-х коэффициентов диффузии получили также эмпирические зависимости (дисперсионный и регрессионный анализы) от свойств почв:

где R² = 0.95, значимость уравнения = 0.025, значимость коэффициентов регрессии = 0.05–0.01, стандартное отклонение (средняя ошибка уравнения) = 0.19 × 10^–8; где R² = 0.94, значимость уравнения = 0.025, значимость коэффициентов регрессии = 0.05–0.01, стандартное отклонение (средняя ошибка уравнения) = 1.1 × 10^-8.

В оба уравнения регрессии вошли в основном одни и те же показатели, что подтвердило значимую (Р = 0.95) оценку корреляции между D(Маслова) и D(CaCl₂) (r = 0.62). В то же время в отличие от D(CaCl₂), в уравнение для D(Маслова) вошло влияние емкости фиксации калия. В целом характер уравнений таков, что свободные члены значительно больше максимальных средних величин D из табл. 6, следовательно, увеличение параметров учтенных в этом случае свойств почв суммарно соответствует снижению расчетных величин D.

Обратимся к данным вегетационных опытов (табл. 7). Чтобы более четко отразить временнýю динамику, некоторые исходные данные были подвергнуты графическому сглаживанию. Известно, что параметры различных характеристик растений в ходе их роста и развития, в том числе вынос элементов питания, зависят от множества факторов. В данной работе в вегетационных опытах различались лишь почвенные показатели, поэтому все отмеченные различия можно отнести за их счет.

Как и выше, данные табл. 7 были проанализированы методом дендрограмм сходства и методом главных компонент (МГК). Найдено, что данные для почв Новинок и ДАОС четко разделялись между собой по совокупности большинства показателей, а варианты опытов внутри почв разделялись по содержанию K₂О в растениях в сроки 7 и 14 сут. Эта картина очень близка полученной ранее при аналогичном анализе валовых составов этих почв. По агрохимическим показателям (см. выше) разделение почв и особенно вариантов было хуже. Такой результат был неожиданным – обычно считается, что рост растений лучше коррелирует с агрохимическими показателями почв.

В то же время анализ зависимости содержания калия в целом растении от физико-химических и агрохимических показателей (дисперсионный и регрессионный анализы) позволил получить хорошее уравнение связи для 21-суточных проростков:

где размерности показателей соответствуют таблицам 3 и 4, R² ≈ 1.0, уровни значимости уравнения = 0.005 и коэффициентов регрессии = 0.05–0.01, ошибка уравнения = 0.013 мг/растение. Немного упрощенный вариант тоже пригоден: где R² = 0.996, уровни значимости уравнения = = 0.025 и коэффициентов регрессии = 0.10–0.01, ошибка уравнения = 0.23 мг/растение. Дальнейшее упрощение приводит к резкому ухудшению всех статистических характеристик.

Из этих уравнений следует, что поглощение калия 21-суточными проростками уменьшалось с ростом в почве ЕКО(Сa/NH₄), содержания органического углерода и содержания калия по Пчелкину. Этот результат не противоречит полученной выше зависимости от агрохимических свойств почв для десорбционного потока (q_дес).

Главная задача подобных вегетационных опытов в данной работе состояла в попытке согласования их результатов с результатами опытов по десорбции, в данном случае – калия. Как и в предыдущих работах [4, 5], для такого согласования использовали математическую модель корневого поглощения веществ растениями. Сначала по модели временно́й динамики поверхности корней рассчитали среднее время активного поглощения веществ элементом рабочей (поглощающей) поверхности корней (τ), принимая для скорости возникновения новой поверхности корней в зависимости от конкретной (измеренной) их динамики модели dS/dt = a или dS/dt = bt (S – поверхность, t – время, a и b – эмпирические коэффициенты). Затем рассчитывали поток калия через единицу рабочей (поглощающей) поверхности корней по формуле $Q({{t}_{2}} - {{t}_{1}})$ = $0.5b\tau (t_{2}^{2}$ – $t_{1}^{2}$ – – ${{t}_{2}}\tau $ + ${{t}_{1}}\tau ){{q}_{{{\text{р а с т }}}}}(\tau {\text{/}}2)$, где Q(t₂ – t₁) – количество вещества, поглощенное одним растением за интервал времени (t₂ – t₁) при t₂ и t₁ > τ, q_раст(τ/2) – поток вещества, соответствующий времени τ/2. Результаты расчетов параметров модели представлены в табл. 8.

Параметры τ близки по порядку величины к тем, что получены ранее для зерновых культур [4, 5, 17]. Поток калия в корни (q_раст) явно увеличивался при внесении удобрений по сравнению с контролем в вариантах обеих почв. Максимальный поток в корень соответствовал условию, когда корень не создает препятствий поглощению из контактирующей с ним почвы, и равен q_дес. В результате реальное поглощение составило в данном опыте от 12 до 45% от максимального. В модели корневого поглощения [8] это отражено с помощью параметра “коэффициент корневого поглощения” (ККП), связанного со способностью растений к корневому поглощению и определяемого из граничного условия на поверхности корня q_раст = ККП ∙ c(0), где с(0) – концентрация поглощаемого вещества в почве у поверхности корня. Величины ККП также представлены в табл. 8; они рассчитаны с помощью формулы (4):

пренебрегая поступлением калия с транспирационным потоком влаги. Здесь y = ККП(t/D)^1/2, erf(…) – интеграл вероятности, exp(…) – экспонента. Полученные оценки ККП в этом случае несколько выше тех, что были найдены для легких почв [4, 5].

Корреляционный анализ данных табл. 8 показал сильную и значимую корреляцию между показателями q_раст, q_раст/q_дес, ККП(Маслова) и ККП(CaCl₂), не коррелировал с этой группой параметр τ. Анализ этих же данных методами дендрограмм сходства и МГК подтвердил эту ситуацию – для ГК1: именно по группе взаимокореллированых показателей сильно отделился от других вариант навоз + 3(NPK) (ДАОС) для срока 7–14 сут с наибольшими из всех показателями q_раст, q_раст/q_дес, ККП(Маслова) и ККП(CaCl₂). Другие варианты разделились между собой по величине ГК2 по параметру τ. При этом разделение групп образцов из Новинок и из ДАОС проявилось частично, а четко разделились сроки опыта – меньшие τ для 7–14 сут и бóльшие – для 14–21 сут. Разделение образцов из разных вариантов полевых опытов было выражено слабо.

Такое разделение почвенных образцов по параметрам модели корневого поглощения калия растениями заметно отличается от вышеприведенных разделений по характеристикам самих почв и по прямым измерениям в вегетационных опытах, но его видимо следует считать предварительным, т.к. выборка для группировки в этом случае была неполной и составила только 8 случаев из 19 потенциально возможных в табл. 8.

ВЫВОДЫ

1. Образцы суглинистых почв полевых опытов из 3-х регионов разделялись как в зависимости от валового химического состава, так и по совокупности физико-химических и агрохимических свойств. Важным разделяющим показателем было содержание калия по Пчелкину и по Масловой.

2. Найдена зависимость десорбционного потока калия из почв от содержания обменного калия и рН почвы.

3. По результатам десорбционных опытов оценены коэффициенты диффузии (D) калия в почвах. При этом показано, что для расчетов D адекватно использовать содержания калия почвы по Масловой и легкоподвижного (хлоркальциевая вытяжка). Получены зависимости оценок D от свойств почв.

4. По результатам вегетационных опытов с проростками озимой ржи получены зависимости поглощения калия целым растением от физико-химических и агрохимических свойств почв. Оценены параметры математических моделей динамики корневых систем растений и динамики поглощения калия растениями. Рассчитано, что реальное поглощение калия составляло от 12 до 45% от максимально возможного.