Агрохимия, 2022, № 1, стр. 3-9

ВВЕДЕНИЕ

Калий является важным элементом минерального питания растений, занимающим лидирующие позиции среди других элементов-биофилов по величине выноса из почвы урожаями сельскохозяйственных культур. Тем не менее, изучению калийного состояния почв агроценозов уделяется наименьшее внимание, а использование калийных удобрений находится на минимальном уровне. Вопреки научным требованиям, в последнюю четверть века произошел почти полный отказ от использования этих удобрений. В результате страна ежегодно недополучает сотни тысяч тонн продукции растениеводства [1–5]. Считается, что почвы содержат значительные запасы валового калия, однако даже при значительных валовых запасах этого элемента калийное питание может лимитироваться сорбционно-десорбционными процессами [6, 7]. При постоянном отчуждении калия урожаем и неполным возвратом элемента с удобрениями происходит медленное, но постоянное снижение содержания доступного калия в почве, уменьшаются его подвижность и способность почвы к восстановлению исходного уровня содержания калия в легкодоступной для растений форме, что в конечном итоге приводит к недобору урожая [8–10].

Цель работы – выявить влияние длительного применения минеральных удобрений на трансформацию калийного режима дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Полевой стационарный опыт был заложен в 1978 г. на опытном поле Пермского НИИСХ (филиала ПФИЦ УрО РАН) на дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве со следующими агрохимическими характеристиками (слой 0–20 см): рН_KCl 5.6, гидролитическая кислотность – 2.0, обменная – 0.025, сумма поглощенных оснований – 21.0 ммоль/100 г почвы, содержание гумуса по Тюрину – 2.12%, подвижных форм фосфора в пахотном слое – 175, обменного калия – 203 мг/кг почвы (по Кирсанову). Содержание физической глины варьировало в интервале 40.1–44.9% в зависимости от варианта опыта. Схема опыта включала следующие варианты: без удобрений (контроль), N90, Р90, K90, (NР)90, (NK)90, (РK)90, (NРK)90. Исследования проводили в 8-польном севообороте со следующим чередованием культур: чистый пар–озимая рожь–картофель–пшеница–клевер 1-го года пользования–клевер 2-го года пользования–ячмень–овес. Минеральные удобрения вносили под зерновые культуры и картофель, в посеве клевера изучали последействие. В опыте использовали N_aa, P_c, K_х. Известь вносили перед закладкой опыта в дозе по 1.0 Н_г. Органические удобрения в опыте не использовали. Общая площадь делянки – 120 м², учетная – 76.4 м². Размещение вариантов в опыте рендомизированное.

Почвенные образцы для исследования отбирали в конце 5-й ротации севооборота после уборки овса в слое 0–20 см. Основные агрохимические показатели почвы определяли в соответствии с ГОСТами и методиками ЦИНАО. Содержание различных форм калия изучали с использованием следующих методов: водорастворимого – по Александровой, легкоподвижного – в 0.0025 М СаСl₂-вытяжке, обменного – по Кирсанову и Масловой, необменного легкогидролизуемого – по Пчелкину, необменного фиксированного – по Гедройцу. Валовое содержание калия определяли методом спекания (ГОСТ 26261-84). Запасы форм калия рассчитывали через массу пахотного слоя, плотность слоя почвы 0–20 см варьировала от 1.23 до 1.28 г/см³.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Максимальная продуктивность полевого 8‑польного севооборота в среднем за 5 ротаций получена при внесении (NРK)90 – 3.3 т к.е./га в год, что было на 32% достоверно больше контрольного варианта. Минимальный прирост продуктивности отмечен при внесении Р90, K90 и (РK)90. Зафиксирован отрицательный баланс калия во всех изученных вариантах (табл. 1). Наиболее высокий отрицательный баланс сложился при одностороннем внесении азотных, фосфорных удобрений, сочетании NР и в контрольном варианте опыта. Интенсивность баланса в вариантах с применением калийных удобрений в дозе K90 составила 63–80%.

Валовое содержание калия в дерново-подзолистой почве в слое 0–20 см в вариантах опыта варьировало от 17100 до 21300 мг/кг (рис. 1а). Максимальное его содержание в почве отмечено в варианте (NРK)90 – 21300 и в варианте K90 – 20 300 мг/кг, что на 21 и 15% достоверно больше контрольного варианта. Запасы валового калия в варианте (NРK)90 составили 54.6 т/га, в варианте K90 – 50.7 т/га (табл. 2), что соответствовало целинному аналогу, расположенному вблизи опытного поля под злаково-разнотравным лугом (50.2 т/га). Можно предположить, что применение калийных удобрений в чистом виде в дозе K90 и (NРK)90 способствовало поддержанию калийного режима почвы на исходном уровне. Минимальное содержание валового калия и его запасов в почве отмечено в вариантах (NР)90 и (NK)90.

Рис. 1.

Содержание калия в дерново-подзолистой почве при длительном применении минеральных удобрений, мг/кг: (а) – валового, (б) – водорастворимой и легкообменной форм, (в) – обменных форм, (г) – необменных (гидролизуемой и фиксированной) форм.

Рис. 1.

Окончание.

Содержание валового калия отражает потенциальный почвенный запас данного элемента [9]. Доступность калия растениям определяется прочностью его связи с минеральной основой почвы. Для диагностики калийного питания и количественного выражения содержания различных форм калия были проведены исследования по содержанию K₂О в различных вытяжках из почвы: водной, солевой и кислотной.

Водорастворимые соединения калия в почвенном растворе представлены солями угольной, азотной и фосфорной кислот и находятся в легкодоступном состоянии для растений [11]. Содержание водорастворимых соединений калия в исследованной дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве составило 12–25 мг/кг (рис. 1б). Практически не было различий содержания водорастворимой и легкодоступной форм калия, представленных хлоркальциевой вытяжкой из почвы (12–29 мг/кг). По содержанию К₂О в 0.0025 М СаСl₂-вытяжке судили о степени подвижности этого элемента, следовательно, об обеспеченности калийным питанием растений. Следует отметить, что содержание калия в водной и хлоркальциевой вытяжках было минимальным в вариантах (NР)90 и N90, что возможно было связано с высоким выносом этого элемента возделываемыми в севообороте культурами. Содержание водорастворимых и легкоподвижных соединений калия в варианте (NK)90 было в 1.3 и 1.9 раза больше, чем в контроле. Ионы калия в почвенном растворе и ионы калия, адсорбированные почвой, находятся в динамическом равновесии. При возделывании сельскохозяйственных культур в вариантах без внесения удобрений в почве оставалось небольшое количество K₂О (12–19 мг/кг) в почвенном растворе, который пополняется за счет обменной формы калия.

Содержание обменных соединений калия в почве на сегодняшний день является основным диагностическим показателем уровня калийного питания растений. Наиболее распространенными в нашей стране являются 2 метода определения содержания обменных соединений калия – в вытяжке 1 М СН₃СОООNH₄ (метод Масловой) и в вытяжке 0.2 М HCl (метод Кирсанова для подзолистых почв). Содержание обменной формы калия по методу Кирсанова варьировало в зависимости от вида внесенных удобрений от 94 до 210 мг/кг почвы, и было максимальным в варианте K90 (рис. 1в).

Длительное (в течение 5-ти ротаций севооборота) использование хлористого калия в дозе 90 кг д.в./га не привело к увеличению содержания обменной формы калия, но способствовало сохранению исходного уровня содержания K₂О в почве. В контроле отмечено снижение содержания обменной формы калия на 40.9% относительно его исходного содержания перед закладкой опыта. При использовании 1 М раствора ацетата аммония (метод Масловой) из почвы извлекали большее количество обменных ионов калия (128–278 мг/кг), однако закономерности изменения содержания обменных соединений калия в вариантах опыта были одинаковыми. Вне зависимости от метода, минимальное количество обменного калия определено в варианте (NР)90 (94 и 128 мг K₂О/кг соответственно). Длительный дефицитный баланс калия привел к существенному снижению содержания в почве обменной формы калия. Уровень обменной формы калия, установившийся в длительном опыте за 5 ротаций севооборота в варианте (NР)90, следует считать показателем нижнего агрономического предела обеспеченности почвы калием [12]. В этом варианте в почву не только не вносили калийные удобрения, но и сочетание азотных удобрений с фосфорными резко увеличило потребление калия растениями.

Еще в 1966 г. В.У. Пчелкин высказал предположение о пополнении обменных соединений калия за счет необменных соединений этого элемента в почве и пришел к выводу, что калий, переходящий в вытяжку 2 М HCl, соответствует необменной поглощенной форме этого элемента. Снижение содержания необменных гидролизуемых соединений калия в пахотном слое почвы наблюдали при длительном одностороннем внесении азотных, фосфорных удобрений и их сочетания (рис. 1г), что было связано с переходом этого элемента прежде всего в обменную форму для обеспечения роста и развития растений или наоборот закрепления в виде фиксированной формы необменного калия. Минимальный уровень необменной гидролизуемой формы калия по Пчелкину определен в варианте (NР)90 – 340 мг/кг почвы, что в 1.5 раза меньше, чем в контроле. Длительное внесение K90 и (NРK)90 способствовало закреплению остаточного калия удобрений в необменно поглощенном состоянии. В варианте (NРK)90 отмечено наибольшее содержание необменных гидролизуемых соединений калия в изученной почве (665 мг/кг), что было в 1.3 раза больше, чем в контрольном варианте.

Внесение азотных удобрений в чистом виде и в сочетании с фосфорными, усиливая развитие растений, способствовало увеличению хозяйственного выноса калия культурами севооборота и привело к существенному уменьшению фракции необменного фиксированного калия по Гедройцу. В данных вариантах содержание необменных фиксированных соединений калия составило 498–630 мг/кг, что было в 1.4–1.7 раза меньше, чем в контроле и в 2.1–2.6 раза, чем в варианте (NРK)90. Максимальное содержание необменных фиксированных соединений калия отмечено при внесении полного минерального удобрения (NPK)90 – 1310 мг/кг, что было в 1.5 раза больше контроля.

Изучение содержания различных форм калия в дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве позволило сформулировать вывод о том, что сумма обменных и необменных форм калия, которые обеспечивают калийное питание растений, составляет малую долю от общего его содержания в почве (обменные формы – 0.5–1.4, необменные формы – 2.0–6.1%). Основу калийного фонда почвы составляет калий почвенного скелета, который входит в состав труднорастворимых почвенных минералов.

Длительное применение азотно-фосфорных удобрений привело к достоверному снижению в почве валовых запасов калия на 1.1, запасов обменных соединений – на 0.1, необменных соединений по Пчелкину – на 0.4 и по Гедройцу – на 0.9 т/га.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Содержание валового калия в пахотном горизонте дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы варьировало от 17 100 до 21 300 мг/кг. Доля обменных и необменных форм калия, доступных для питания растений и являющихся ближайшим резервом, от валового содержания составила 0.5–6.1%. Трансформация дерново-подзолистой почвы без внесения калийных удобрений происходила в направлении деградации калийного фонда. Наибольшие потери были выявлены в варианте внесения (NР)90, где содержание соединений легкообменного калия уменьшилось на 20, обменных по Кирсанову и по Масловой – на 22–25, необменных гидролизуемых по Пчелкину – на 33, необменных фиксированных по Гедройцу – на 42% относительно контрольного варианта. Максимальное содержание обменных соединений калия определено в варианте K90, необменных соединений и валового содержания – в варианте применения (NРK)90.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Пермского края в рамках научного проекта № 20-45-596005 р_НОЦ_Пермский край.