Агрохимия, 2021, № 2, стр. 11-20

ВВЕДЕНИЕ

Устойчивое и экологически безопасное функционирование агроэкосистем во многом зависит от состояния фосфатного фонда почв [1–3]. При формировании продуктивности растений при их выращивании по экстенсивной технологии потребность в фосфорном питании удовлетворялась во многом за счет почвенных ресурсов, либо применением невысоких доз фосфорных удобрений [4]. Однако при создании условий, обеспечивающих интенсивный рост растений, потребность в фосфоре резко возрастает [5]. Поэтому важно знать состояние и возможности природного фосфатного фонда и роль удобрений в интенсификации продукционного процесса. По данным [6], для почв юго-восточной части Западной Сибири присуще высокое содержание общего фосфора, значительная часть которого представлена (48% от валового) минеральной формой, высокоосновными соединениями кальция (13.6%) и окклюдированными фосфатами (22.6%). К тому же, содержание фосфора и его форм зависит от специфики геоморфологического и геохимического накопления элемента в почвенной толще. Исследованные лугово-черноземные почвы относятся к структуре минеральных фосфатов Приобского типа [7]. Для них характерно высокое содержание элемента в материнских породах – до 90–100 мг/100 г, доля высокоосновных фосфатов оказалась в них значительно больше по сравнению с другими типами почвообразования. Показано [8], что в лугово-черноземных почвах Западно-Сибирской провинции фосфор связан в основном с органическим веществом, среди минеральных форм преобладают фосфаты алюминия и железа, что снижает активность усвоения фосфатов растениями. В выпаханных лугово-черноземных почвах большую роль в восстановлении их плодородия играют не только удобрения, но и состояние природных экосистем, например, при зарастании почв березовыми и осиновыми лесами значительно активизируются процессы аккумуляции фосфора [9]. Показана доступность и запасы почвенных фосфатов пахотного и подпахотного слоев и их роль в снабжении растений соответствующим элементом [10]. Малоизученной остается проблема распределения форм фосфора по профилю лугово-черноземных почв, особенно эродированных, а также их доступность растениям и необходимость обоснованного применения удобрений. Актуальность данного почвенно-агрохимического направления возрастает в связи с нестабильными гидротермическими и обостряющимися экологическими условиями.

Цель работы – оценка фосфатного фонда эродированных лугово-черноземных почв и возможности его регулирования и эффективного использования.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Полевое исследование проводили в Новосибирской обл. в Тогучинском р-не (территория Присалаирья, юго-восток Западно-Сибирской равнины). Объекты исследования – лугово-черноземные среднемощные тяжелосуглинистые почвы (пологий склон северо-восточной экспозиции) различной степени эродированности. Содержание общего гумуса и валового азота в лугово-черноземной неэродированной почве – 5.6 и 0.28%, слабоэродированной – 4.5 и 0.2, среднеэродированной – 3.4 и 0.19% соответственно, средне обеспечена подвижным фосфором. Содержание обменного калия в неэродированной почве составило 14.5, среднеэродированной – 15.6 мг/100 г. Величина рН$_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$ находилась в пределах 5.3–5.5.

Микрополевые опыты с луговыми травами, яровой пшеницей (сорт Новосибирская 22) и картофелем (сорт Луговской) проводили на делянках, обернутых полиэтиленовой пленкой на глубину пахотного слоя, общей площадью 1 м² и учетной – 0.25 м². Минеральные удобрения вносили в виде N_м, Р_сг и K_х. Для изучения сравнительной оценки эффективного плодородия антропогенно-преобразованных почв отбирали образцы многолетних трав, пшеницы и картофеля в трех-, четырехкратной повторности. Образование минеральных фосфатов при компостировании эродированных почв определяли при температуре 8–10 и 22–25°С в течение 45 сут.

Аналитическую работу выполняли следующими методами: в почвенных образцах определяли гумус по Тюрину, общий азот – по Кьельдалю с предварительным озолением образцов в смеси серной и хлорной кислот с восстановителем Кудеярова. Зольные питательные элементы в почве определяли на основе следующих методов: легкоподвижный фосфор – по Карпинскому–Замятиной, подвижный фосфор – по Чирикову, малоподвижный (нами предложенная форма фосфора) – в 1 н. НСl при соотношении почва : раствор = 1 : 25, органический фосфор – по разности между его валовым и минеральным содержанием по Хейфиц, валовой фосфор – по Гинзбург и др., обменный калий – по Масловой, нитратный азот – потенциометрическим способом с использованием ион-селективного электрода. Содержание биогенных элементов в растениях определяли следующими методами: общий азот после мокрого озоления – по Кьельдалю, фосфор – колориметрическим методом, калий – на атомно-адсорбционном спектрофотометре.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Изучение форм фосфора по профилю лугово-черноземной почвы показало, что их содержание и распределение по профилю зависели от степени геоморфологического воздействия и специфики формирования почвенных горизонтов (табл. 1). В пахотном слое неэродированной почвы доли органических и минеральных фосфатов находились примерно в равном соотношении, с глубиной ситуация резко менялась даже в пределах одного горизонта А. Например, содержание органических фосфатов в слое 30–40 см относительно слоя 0–10 см уменьшилось в 4 раза, а в слое 50–60 см снизилось даже в 8 раз. Содержание минеральных фосфатов по сравнению с органическими в почвенном профиле изменялось в небольших пределах – 0.07–0.09%. В слабоэродированной почве содержание органических фосфатов в слоях 0–10 и 10–20 см в сравнении с аналогичным слоем неэродированной почвы уменьшилось на 0.25–0.28%. На глубине 50–60 см присутствие этой формы фосфора выровнялось и достигло 0.01%. Минеральные фосфаты распределялись по почвенному профилю довольно равномерно, величина их менялась в пределах 0.06–0.08%. В среднеэродированной почве содержание минеральных фосфатов изменялось также незначительно. В то же время содержание органических фосфатов в среднеэродированной почве по сравнению с неэродированной и слабоэродированной почвой снизилось примерно от 2.0 до 3.5 раза. Отсюда видно, что в результате процессов водной эрозии наибольшие изменения в содержании фосфатов происходили в группе органических фосфатов. Это отражалось на содержании валового Р по профилю эродированных почв и его запасах. Обычно максимальное количество элемента аккумулируется в гумусовом горизонте, минимальное – в иллювиальном [11–13].

По содержанию органических и минеральных форм фосфора в почве весьма сложно судить об обеспеченности растений фосфорным питанием [2]. Более надежную информацию о состоянии фосфатного фонда, от которого зависит функционирование агроценозов, можно получить на основе содержания подвижных форм [14]. Выявлено, что содержание легкоподвижного фосфора в неэродированной почве аккумулировалось в слое 0–10 см, с глубиной оно постепенно снижалось и достигало минимума в слое 90–100 см (табл. 2). В слабоэродированной и среднеэродированной почвах закономерность была иной. В первом случае минимальное содержание отмечено уже в слое 30–40 см и вновь обнаруживалось в слое 90–100 см, во втором случае минимальное содержание легкоподвижного фосфора отмечено в слое 50–60 см, а затем заметно повышалось и достигло максимума на 1-метровой глубине. Запасы легкоподвижного фосфора были также максимальными в неэродированной почве в горизонтах А + АВ, значительно меньше – в слабоэродированной и еще меньше – в среднеэродированной.

В содержании подвижного фосфора в почвах наблюдали другую закономерность, связанную с накоплением элемента в гумусовом горизонте. Максимальное количество этой формы фосфора отмечено в среднеэродиованной почве, в неэродированной и слабоэродированной почвах его было существенно меньше. С глубиной содержание фосфора в профиле этих почв изменяется по-разному. В неэродированной почве максимальное количество подвижного фосфора отмечено в иллювиальном горизонте В1, но постепенно оно снижалось и достигло минимума в горизонте В2 (слой 90–100 см). В слабоэродированной почве увеличение содержания подвижного фосфора начиналось несколько раньше, со слоя 20–30 см и достигло наибольшей величины в слоях 30–40 и 40–50 см. С глубиной оно постепенно снижалось и оказалось наименьшим в слое 90–100 см. В среднеэродированной почве увеличение содержания подвижного фосфора началось с гумусового и переходного горизонтов А + АВ и АВ. Наивысшая аккумуляция доступного растениям фосфора отмечена в слое 30–40 см, затем его количество снижалось и достигло минимума в материнской породе С. Запасы подвижного фосфора и его распределение по профилю почвы также зависели от степени ее эродированности и сформированного почвенного горизонта. Максимальные запасы этой формы фосфатов в 1-метровом слое (~2700 кг/га) отмечали в среднеэродированной почве, заметно меньшие (2600 кг) – в неэродированной и еще меньшие (2500 кг/га) – в слабоэродированной.

В отношении малоподвижного фосфора во многом повторялась закономерность распределения подвижных фосфатов, хотя и наблюдали определенные отличия. Например, в неэродированной почве максимальное содержание малоподвижных фосфатов обнаруживалось на глубине 50–60 и 80–90 см. В слабоэродированной почве наибольшее содержание этой формы фосфора отмечено только один раз на глубине от 30 до 50 см. С глубиной оно снижалось до 30%. По профилю среднеэродированной почвы постепенное повышение содержания малоподвижных фосфатов начиналось с горизонта А и достигло наибольшей величины в слое 40–50 см. С увеличением глубины отбора образцов обнаруживали значительное уменьшение темпов аккумуляции этого элемента. В целом запасы малоподвижных фосфатов в 1-метровом слое в неэродированной почве составили примерно 8500 кг, в слабоэродированной – 8600 кг и в среднеэродированной – 8400 кг/га.

Полученные результаты однозначно свидетельствовали о повышенном содержании подвижной и малоподвижной форм фосфора в переходном гумусовом и иллювиальных горизонтах. Объяснить такое распределение элемента по почвенному профилю, не прибегая к специальным дополнительным исследованиям, сложно. Потребовалось выяснить влияние тепловых воздействий и компостирования почвы на содержание наиболее подвижных форм фосфора, которые более изменчивы в течение вегетационного периода. Были взяты почвенные образцы неэродированной и среднеэродированной почв. Увлажняли их до 80% от ППВ и поддерживали заданную влажность почв в течение всего исследованного периода. Компостировали почвенные образцы в течение 45 сут при температуре 5–10 и 20–25°С. Результаты исследования показали, что в содержании легкоподвижного фосфора четкой закономерности не выявлено. Под влиянием температуры и эродированности почвы наблюдали как повышение содержания этой формы фосфора, так и его снижение (рис. 1). Поскольку значительное количество фосфора содержится в органическом веществе, то под влиянием микроорганизмов и повышенной температуры должен накапливаться легкоподвижный фосфор. Однако этого в эксперименте не наблюдали. По нашему мнению, такое явление связано с тем, что при динамически равновесном состоянии фосфор относительно легко может переходить из одной формы в другую. В отличие от легкоподвижных фосфатов содержание подвижного фосфора в почвах достоверно повышалось при компостировании при разных интервалах температур. Однако эродированность почвы не отразилась на ее фосфатминерализующей способности. Такое явление, вероятно, связано с тем, что наряду с накоплением подвижного фосфора в почве происходит аккумуляция нитратного азота, который по принципу обратной связи ингибирует процессы минерализации органического вещества и, в конечном итоге, выравнивает интенсивность действия исследованных факторов. В естественных условиях в пределах одной и той же лесостепной зоны полугидроморфная лугово-черноземная почва формируется как более холодная, чем автоморфная, например, черноземная. В нижних горизонтах она прогревается медленнее [15], что сказывается на усвоении элементов питания и ростовых процессах. В лугово-черноземной почве корневая система лучше развивается в верхнем гумусово-аккумулятивном горизонте, там активнее усваивается растениями фосфор и другие питательные элементы. К тому же потребность в них в первую половину вегетации существенно больше, чем во вторую. После того, как прогреется корнеобитаемый слой, фосфатминерализующая способность почвы возрастает, однако потребность растений в фосфоре снижается. Происходит дисбаланс в образовании минеральных фосфатов и их потреблении растениями. В результате многолетнего воздействия гидротермических условий наблюдаем результат почвенных процессов, вызывающих накопление подвижного и малоподвижного фосфора в переходном гумусово-аккумулятивном горизонте АВ и иллювиальных В1 и В2.

Рис. 1.

Влияние компостирования и эродированности почвы на содержание в ней форм фосфатов.

Сведения о содержании и запасах подвижных форм фосфора в эродированных почвах недостаточны для оценки обеспеченности растений элементом в течение вегетационного периода. Необходимо было определить содержание подвижных соединений фосфора в начале и конце вегетационного периода. Исследования показали, что обеспеченность растений этим элементом зависела от эродированности почвы и применения фосфорных удобрений (рис. 2). В опыте 2009 г. содержание подвижных фосфатов в среднеэродированной почве в фазе кущения растений было заметно больше, чем в неэродированной (вариант NK). В укосную спелость разница в содержании фосфатов в почвах различной эродированности выравнилась. Внесение фосфорных удобрений повысило содержание подвижных фосфатов в среднеэродированной почве во все периоды наблюдений, в неэродированной почве достоверные различия в количестве фосфатов отмечали только в фазе кущения. Можно полагать, что внесение удобрений в эффективных дозах не только повысило содержание подвижных фосфатов в почве, но и удовлетворило потребность растений в данном элементе.

Рис. 2.

Влияние эродированности почвы и фосфорных удобрений на содержание подвижного фосфора в пахотном слое.

На основе результатов продуктивности растений выявлена различная эффективность минеральных удобрений в исследованных почвах (табл. 3). Совместное внесение азота и калия в неэродированную почву в условиях 2009 г. практически не отразилось на урожайности луговых трав, но существенно повысило ее в 2013 г. На среднеэродированной почве усиленное азотно-калийное питание вызвало достоверное увеличение продуктивности травянистых растений. Использование полного минерального удобрения существенно повысило урожайность сельскохозяйственных культур независимо от условий года и эродированности почвы. Внесение фосфорных удобрений на фоне азота и калия увеличивало продуктивность луговых трав, за исключением варианта N60K60+Р60 на среднеэродированной почве в условиях 2013 г. Это, вероятно, связано с изменением содержания фосфора в почве в связи с меняющимися погодными условиями. Этот год был чрезмерно увлажненным по сравнению с 2007 и 2009 гг. Гидротермический коэффициент исследованных лет менялся от 1.04 до 1.49. Под влиянием минеральных удобрений по-разному изменялось качество продукции. Наблюдали как ее улучшение (существенно увеличился сбор протеина в зерне пшеницы и луговых травах), так и состояние практически без изменений (например, содержание сухих веществ в картофеле).

Моделирование фосфатного фонда эродированных лугово-черноземных почв показало, что основные составляющие регулирования фосфорного питания реализуются путем трансформирования органических и минеральных фосфатов, а также воздействия на почвообразующую породу (рис. 3). Пул этих соединений может уменьшаться или увеличиваться в процессе минерализации почвенного органического вещества или гумификации растительных остатков [16, 17]. Решающую роль в этом блоке играет микробоценоз, активность которого зависит, прежде всего, от температурного и водного режима почв [18]. Поддержание пула органических и минеральных фосфатов можно осуществить лишь в случае сохранения равновесного состояния подвижных форм фосфора. Термодинамика перехода элемента из одного состояния в другое зависит от поступления энергии в систему и расходования ее в процессе усвоения элемента корневой системой растений. Изменить равновесное состояние фосфора в формах различной степени подвижности можно путем влияния на структуру и гранулометрической состав почвы, регулирования гумусного состояния, подбора и регулирования травостоя [19], применения экологически безопасных средств химизации и других приемов интенсификации продукционного процесса растений. В каждом конкретном случае один и тот же агротехнический прием может активизировать процессы аккумуляции энергетически менее затратных, легкодоступных для растений соединений фосфора, либо ингибированию этих процессов. Ясно, что без оптимизации почвенных процессов невозможно добиться экологически безопасной и экономически менее затратной продукции. Особо отметим, что на фосфатный ресурс эродированных почв существенное влияние оказывают как приходные статьи (внесение фосфорных удобрений и поступление элемента с опадом листьев), так и расходные (вынос фосфора урожаем и эрозионные потери, которые сильно зависят от геоморфологии и геохимии почвенного покрова).

Рис. 3.

Модель состояния фосфатного ресурса эродированных лугово-черноземных почв Приобья.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучение форм фосфора в лугово-черноземных почвах показало, что их содержание и распределение по почвенному профилю имеет свою специфику. Она заключается в том, что гумусовый горизонт растянут, в нем постепенно снижается содержание органического фосфора, но мало изменяется группа минеральных фосфатов. Отношение между органическими и минеральными фосфатами в пахотном слое неэродированной почвы приближается к единице, но в конце гумусового горизонта (слой 50–60 см) оно достигает 0.1, хотя в иллювиальном горизонте В1 иногда составляет 0.3. По мере усиления эродированности почвы содержание и запасы органических фосфатов снижаются в значительно большей степени, чем минеральных, и стабилизируются на низком уровне в горизонтах, контактирующих с материнской породой.

Под влиянием водной эрозии в почвенном профиле неэродированной почвы изменяются подвижные формы фосфора, особенно во фракции легкоподвижных соединений. В слое 0–10 см гумусово-аккумулятивного горизонта содержание легкоподвижного фосфора было больше, чем в аналогичном слое слабо- и среднеэродированной почвы примерно в 2.0–2.5 раза. Минимальное его количество обнаружено в почве на границе элювиально-иллювиального горизонтов. Содержание и запасы подвижного и малоподвижного фосфора изменяются по профилю почвы: в верхних слоях гумусового горизонта содержится их значительно меньше, чем в иллювиальном горизонте В1 и В2. Это объясняется непропорциональным образованием минеральных фосфатов в полугидроморфной почве и их потреблением растениями, которое обусловлено специфическими гидротермическими условиями.

Внесение фосфорных удобрений способствует повышению содержания подвижного фосфора, особенно в среднеэродированной почве. В неэродированной почве разница в содержании доступных растениям фосфатов на ранних этапах роста существенная, к укосной спелости она нивелируется. Это отражается на продуктивности луговых трав, на неэродированной почве продуктивность растений от внесения фосфорных удобрений повышается, а на среднеэродированной прибавки иногда не отмечают. Наибольшая урожайность картофеля, яровой пшеницы и луговых трав получается при использовании фосфора в сочетании с азотом и калием на почвах независимо от степени их эродированности.