Свойства почвы в связи с применением удобрений

Физические, химические и биологические свойства почвы определяют условия питания растений, потребность в удобрениях и, следовательно, рост, развитие растений, урожайность и качество возделываемых культур.

Как основное средство производства в сельском хозяйстве почва характеризуется следующими важными особенностями: незаменимостью, ограниченностью, неперемещаемостью и плодородием. Эти особенности подчеркивают необходимость исключительно бережного отношения к почвенным ресурсам и постоянной заботы о повышении плодородия почв.

Основным свойством почвы является плодородие – способность удовлетворять потребность растений в элементах питания, воде, обеспечивать их корневые системы достаточным количеством воздуха, тепла для нормальной деятельности и создания урожая. Общий запас элементов питания в почве и содержание их в доступных для растений формах, интенсивность процессов перехода элементов питания из неусвояемого состояния в усвояемое и обратно в значительной степени определяют условия питания растений и потребность в удобрениях. В зависимости от состава и свойств почвы общий запас и количество усвояемых элементов питания в разных почвах неодинаковы, поэтому отзывчивость растений на удобрения и эффективность их на разных почвах также различны.

Важное свойство почвы – ее поглотительная способность, под которой понимают способность почвы поглощать и удерживать твердые, жидкие и газообразные вещества. Благодаря поглотительной способности почвы элементы питания удерживаются от вымывания и используются растениями.

В условиях интенсификации земледелия важнейшая задача – создать оптимальную систему питания растений, обеспечивающих получение высоких урожаев сельскохозяйственных культур хорошего качества. Основные направления в оптимизации систем питания растений – улучшение почвенных условий и применение удобрений в полном соответствии с биологическими особенностями возделываемых сельскохозяйственных культур. Один из решающих факторов рационального использования почв – расширенное воспроизводство их плодородия как основы получения высоких и стабильных урожаев.

Удобрения изменяют баланс элементов питания; осушительная мелиорация преобразует водно-воздушный режим; средства химической защиты растений в отдельных случаях существенно увеличивают концентрацию неблагоприятных веществ, что приводит к нарушению микробиологической деятельности; известкование полностью преображает поглощающий комплекс дерново-подзолистых почв, применение органических удобрений оказывает существенное влияние на питательный режим, биологические и другие свойства почвы. Все эти воздействия на почву увеличиваются при возрастании урожайности сельскохозяйственных культур, более мощном развитии корневых систем, влияющих на процессы транспирации химических элементов.

Валовое содержание макро- и микроэлементов в почвах.

Песчаные и супесчаные почвы состоят в основном из кварца и полевых шпатов, суглинистые – из смеси первичных и вторичных минералов, а глинистые – преимущественно из вторичных глинистых минералов. Больше всего валового азота содержится в торфяных, дерново-подзолистых глинистых и суглинистых почвах, фосфора и калия – в дерново-подзолистых глинистых и суглинистых. Меньше всего азота и фосфора содержится в песчаных и супесчаных почвах, а калия – в торфяных. Следовательно, почвы разного гранулометрического состава существенно различаются по содержанию элементов питания (табл. 1).

Таблица 1. Валовое содержание элементов питания в дерново-подзолистых и торфяных почвах, %

Типы почв, гранулометрический состав N Р2О5 К2О
Дерново-подзолистые песчаные 0,07–0,1 0,06–0,08 0,7–1,2
Дерново-подзолистые супесчаные 0,08–0,13 0,07–0,12 1,5–2,0
Дерново-подзолистые суглинистые 0,1–0,16 0,09–0,15 2,0–2,5
Дерново-подзолистые глинистые 0,1–0,23 0,14–0,16 2,5–4,0
Торфяные 2,5–5,0 0,29–0,67 0,03–1,0

Валовое содержание микроэлемента бора в дерново-подзолистых почвах составляет в среднем 7,8–27,0 мг/кг, подвижных форм – 0,17– 0,8 мг/кг, увеличиваясь при переходе от песчаных к суглинистым и глинистым почвам. В торфяных почвах содержится в среднем 16,5 мг на 1 кг общего бора. В среднем по Республике Беларусь содержание на пашне подвижного бора составляет 0,61 мг/кг, т. е. имеет среднюю обеспеченность.

Валовое содержание меди в автоморфных дерново-подзолистых почвах составляет в среднем 4,7–10,5 мг/кг, увеличиваясь при переходе от легких по гранулометрическому составу к тяжелым. Бедны медью торфяные почвы.

Валовое содержание цинка в автоморфных дерново-подзолистых почвах республики находится в среднем в пределах 16,0–46,6 мг/кг. Средневзвешенное содержание подвижного цинка в пахотных почвах республики составляет 3,06 мг/кг, т. е. является средним.

1. Состав и свойства минеральной и органической частей почвы

Почва, по образному выражению В. В. Докучаева, является жилищем и кормилицей растений и занимает особое место среди факторов, влияющих на них. Отличительной особенностью современного земледелия является резкое возрастание роли плодородия интенсивно используемой почвы, что позволяет получать от нее большую отдачу. Плодородная почва способствует более эффективному использованию повышенных доз удобрений, новых методов обработки почв и других приемов агротехники, а также лучше противостоит отрицательным внешним воздействиям – эрозии, уплотнению, загрязнению тяжелыми металлами, остатками пестицидов и др.

Плодородие почвы – сложное ее свойство, характеризующееся в конечном счете масштабом обмена веществ и энергии с культурными растениями, подпочвой, атмосферой, поверхностными и почвенными водами, почвенными микроорганизмами и животными.

Почва состоит из твердой, жидкой (почвенный раствор), газообразной (почвенный воздух) фаз.

Твердая фаза почвы состоит из минеральной и органической частей, которые содержат основной запас питательных элементов для растений. На минеральную часть приходится 90–99 % твердой фазы почвы, на органическую – 1–10 %. Почти половина твердой фазы почвы (49 %) приходится на кислород, одна треть – на кремний, более 10 % – на алюминий и железо и только 7 % – на остальные элементы.

Средний химический состав твердой фазы почвы (% массы) по А. П. Виноградскому характеризуется следующими данными:

Кислород 49,0 Барий 0,05 Галлий 10–3
Кремний 33,0 Стронций 0,03 Олово 10–3
Алюминий 7,1 Цирконий 0,03 Кобальт 8·10–4
Железо 3,7 Фтор 0,02 Торий 6·10–4
Углерод 2,0 Хром 0,02 Мышьяк 5·10–4
Кальций 1,3 Хлор 0,01 Йод 5·10–4
Калий 1,3 Ванадий 0,01 Цезий 5·10–4
Натрий 0,6 Рубидий 6·10–3 Молибден 3·10–4
Магний 0,6 Цинк 5·10–3 Уран 1·10–4
Водород 0,5 Церий 5·10–3 Бериллий 10–4
Титан 0,46 Никель 4·10–3 Германий 10–4
Азот 0,10 Литий 3·10–3 Кадмий 5·10–5
Фосфор 0,08 Медь 2·10–3 Селен 1·10–6
Сера 0,08 Бор 1·10–3 Ртуть 10–6
Марганец 0,08 Свинец 1·10–3 Радий 10–11

В почве кроме макроэлементов содержится некоторое количество микроэлементов. Одних содержится меньше (медь, кобальт), других больше (йод, бор), чем в литосфере. Молибдена и цинка содержится в почве и литосфере примерно на одном уровне.

Азот практически полностью (95–97 %) содержится в органической части почвы, углерод, фосфор, сера, кислород и водород – как в минеральной, так и в органической, калий – только в минеральной части почвы.

1.1. Минеральная часть почвы

Минеральная часть почвы представлена различными по размерам частицами пород первичных и вторичных минералов, аморфных соединений. Она возникла в результате выветривания горных пород и минералов и их превращений в процессе почвообразования. Почвы наследуют геохимические особенности почвообразующих пород.

Под совокупным влиянием на минеральную породу физических и химических факторов деятельности живых организмов (растений и микроорганизмов) происходят глубокие изменения, которые привели к образованию на поверхности земной коры почвенного покрова.

Гранулометрический состав почвы зависит от минералогического состава, влияет на химический и определяет многие физические, физико-химические и химические свойства почвы.

В песчаных и супесчаных почвах преобладают первичные минералы, суглинистые состоят из смеси первичных и вторичных минералов, а глинистые – преимущественно из вторичных минералов с примесью кварца. Разделение минералов на первичные (более 0,001 мм) и вторичные (менее 0,001 мм) довольно условное, так как последние являются продуктами физико-химического выветривания первых и образования при этом гидратов полуторных оксидов кремнезема и других соединений. В процессе выветривания гидролиз, например, полевого шпата приводит к замещению катионов в кристаллической решетке минералов на ионы водорода.

Полевые шпаты и слюды при трансформации во вторичные минералы служат источником калия, кальция, магния, железа и других элементов для растений.

Физико-химическое выветривание нельзя отделить от биологического преобразования пород, минералов и других соединений под воздействием живых организмов почвы и продуктов их жизнедеятельности (кислоты, ферменты).

Первичные минералы – кварц, полевые шпаты, слюды – входят в материнские почвообразующиеся породы и присутствуют в виде частиц песка (0,05 до 1 мм), пыли (0,001 до 0,05 мм) и меньше в виде илистых (менее 0,001 мм) и коллоидных (менее 0,25 микрона) частиц. При разрушении минералов под влиянием химических процессов и жизнедеятельности различных организмов образуются гидраты полуторных оксидов, гидраты кремнезема, различные соли и вторичные минералы. Вторичные минералы находятся в почве преимущественно в виде илистых и коллоидных частиц и редко в виде пылеватых частиц.

По химическому составу минералы подразделяются ни кремнекислородные соединения, или силикаты (кварц), и алюмокремнекислородные соединения, или алюмосиликаты (полевой шпат, мусковит, биотит).

Вторичные алюмосиликатные минералы представлены листовыми двух- (каолиниты) и трех- (монтмориллониты) слойными решетками, состоящими из слоев кремнекислородных тетраэдров, образующих

гексагоны, соединенные с алюмогидроксильными октаэдрическими слоями. Среди двухслойных минералов каолинитовой группы наиболее распространены каолинит Al4(OH)8 [Si4O10] и галлуазит Al4(OH)8 [Si4O10] · 4Н2О. Дисперсность их невысока, емкость поглощения не выше 25 мг-экв/100 г почвы (фракция < 0,001 мм), липкость небольшая, водопроницаемость хорошая.

Среди трехслойных вторичных минералов распространены монтмориллонит, нонтронит, бейделлит, сапонит, соконит. Эта группа глин обладает высокой дисперсностью, липкостью, набухаемостью и вязкостью.

Монтмориллонит – Mg3(OH)4 [Si4O8 (OH)2 · Н2О] – обладает высокой дисперсностью, содержит 60–80 % илистых частиц (<0,001 мм), 40–50 % коллоидных (<0,0001 мм). Благодаря высокой дисперсности емкость поглощения этого минерала достигает 120 мг-экв/100 г, при увлажнении он набухает. При этом в межплоскостное пространство могут проникать обменные катионы (К+, NH4+, Na+, Са++ и др.), которые при дегидротации (подсушивании) почвы фиксируются и становятся недоступными для растений до следующего увлажнения. Монтмориллонит преобладает в черноземных почвах.

Гидрослюды иллит (гидромусковит) – (К, Н3О) Al2(OH)2 [Al, Si]4 × nН2О и гидробиотит присутствуют практически во всех почвах в илистой и коллоидной фракциях. Они образуются из полевых шпатов и слюд и по физическим свойствам занимают среднее положение между монтмориллонитом и каолинитом. Гидрослюды содержат 5–7 % калия. Благодаря высокой дисперсности обладают большой поверхностью и поглотительной способностью.

Аморфные вещества минеральной части почвы представлены гидроксидами кремния SiO2 · nН2О, алюминия Al2O3 и железа Fe2O3 × nН2О, которые в коллоидной фракции в зависимости от реакции среды могут вести себя как кислоты или основания, обусловливая обменную поглотительную способность катионов и анионов.

В изоэлектрических точках гидрооксиды кремния, алюминия и железа выпадают в аморфные осадки, которые по мере старения кристаллизуются, образуя новые минералы.

В почве содержатся также в небольшом количестве и непосредственные источники питания растений – минеральные соли: нитраты, сульфаты, карбонаты, хлориды, фосфаты кальция, калия, магния, натрия, марганца и др. Все нитраты, хлориды, сульфаты, углекислые соли калия и натрия, а также однозамещенные фосфаты ортофосфорной кислоты хорошо растворимы в воде, но их в почвах мало.

Почвы разного гранулометрического состава существенно различаются по физическим и химическим свойствам. Неодинаков у них и минералогический состав. С уменьшением размера частиц количество кремния в почвах снижается, а количество алюминия, железа, кальция, магния, калия и фосфора возрастает (табл. 2).

Таблица 2. Примерный химический состав гранулометрических фракций почвы

Фракция, мм Содержание, %
Si Al Fe Ca Mg K P
1–0,2 43,4 0,8 0,8 0,3 0,3 0,7 0,02
0,2–0,04 43,8 1,1 0,8 0,4 0,1 1,2 0,04
0,04–0,01 41,6 2,7 1,0 0,6 0,2 1,9 0,09
0,01–0,002 34,6 7,0 3,6 1,1 0,2 3,5 0,04
< 0,002 24,8 11,6 9,2 1,1 0,6 4,1 0,18

С увеличением дисперсности снижается только содержание кремния и возрастает содержание всех других элементов, в том числе и азота, который в составе гумуса также сосредоточен в наиболее дисперсной фракции. Поэтому илистая и коллоидная фракции представляют наибольшую ценность для питания растений. Эти фракции обусловливают поглотительную способность почвы и являются наиболее активной частью в формировании емкости катионно-анионного и молекулярного обмена, структурообразования и буферности при ее взаимодействии с растениями, биотой, удобрениями и мелиорантами.

Регулирование водно-воздушного режима конкретных почв соответствующими обработками в сочетании с применением органических и минеральных удобрений, известкованием почв улучшает корневое и воздушное питание растений, способствует развитию почвенных микроорганизмов, повышает урожайность и качество сельскохозяйственных культур.

Жидкая фаза – почвенный раствор – наиболее активная и подвижная часть почвы, в которой совершаются разнообразные химические процессы и из которой происходит поглощение питательных элементов растениями.

Жидкая фаза образуется из воды, поступающей с осадками, из грунтовых и паводковых вод, при конденсации водяных паров и растворимых в почвенном растворе веществ твердой и газообразной фаз. Никакая жизнь и никакие химические процессы в почве немыслимы без воды и растворов.

В зависимости от типа почвы, реакции и других условий в почвенном растворе содержатся катионы Н+, К+, NН4+, Са2+, Mg2+ и др. и анионы NO3, H2РO4, SO42–, Cl, OH, HCO3 и др. Железо и алюминий содержатся в почвенном растворе в виде устойчивых комплексов с органическими веществами, а в кислых почвах – в виде катионов и гидратов полутораоксидов в коллоиднорастворимой форме.

Особенно важным является наличие в почвенном растворе ионов NН4+, Н2РО4, NО3, К+, Са2+, Мg2+, SO42–. В почвенном растворе из органических соединений могут быть органические кислоты, сахара, аминокислоты, спирты, ферменты и др.

Органоминеральные соединения представлены комплексными соединениями гумусовых кислот, полифенолов, других органических соединений с поливалентными катионами. Водорастворимые органические соединения почвенного раствора являются продуктами жизнедеятельности растений и микроорганизмов.

Большое значение имеют концентрация и степень диссоциации растворенных веществ, от которых зависит осмотическое давление почвенного раствора и поглощение корнями воды и питательных элементов. Обычно в незасоленных почвах содержание водорастворимых солей составляет 0,05 %. Наиболее благоприятная их концентрация 0,1 %. Избыток солей (более 0,2 %) вредно действует на многие сельскохозяйственные культуры, особенно в течение двух-четырех недель с момента прорастания. Однако с возрастом растений их устойчивость к высоким концентрациям возрастает.

Состав и концентрация почвенного раствора заметно изменяются под влиянием различных факторов. Поступление солей в него происходит в результате выветривания и разрушения минералов, разложения органических веществ в почве, внесения минеральных и органических удобрений. Уменьшение концентрации почвенного раствора происходит при вымывании растворимых соединений в нижележащие горизонты, разбавлении за счет выпадающих осадков, усвоении питательных элементов сельскохозяйственными культурами. Состав и концентрация солей в растворе зависят также от взаимодействия его с твердой фазой почвы, от обменных реакций между раствором и почвенными коллоидами.

Питание растений различными веществами осуществляется через почвенный раствор. При недостатке влаги резко снижается поступление элементов питания в растения. Следовательно, удобрения эффективно действуют только при достаточном количестве влаги в почве.

Газообразная фаза почвы – почвенный воздух – результат взаимодействия атмосферного воздуха и образующихся в почве газов играет важную роль в жизни растений, их корней и аэробных микроорганизмов. Почвенный воздух находится в некапиллярных порах (больших промежутках в почве), так как в капиллярах большей частью находится вода.

В почве постоянно происходит потребление кислорода и выделение СО2. В связи с этим почвенный воздух отличается от атмосферного повышенным содержанием диоксида углерода и меньшим – кислорода. В атмосферном воздухе содержится 0,03 % диоксида углерода, а в почвенном – до 0,3–1 %, а иногда 2–3 % и более.

Образование СО2 происходит благодаря разложению органического вещества микроорганизмами и дыханию корней. В результате диффузии СО2 из почвы происходит обогащение им надпочвенного воздуха, непосредственно омывающего листья растений. Повышенное содержание СО2 в приземном слое воздуха создает лучшие условия для ассимиляции диоксида углерода растениями и способствует повышению урожайности сельскохозяйственных культур. Увеличению содержания СО2 в приземном слое воздуха способствует внесение органических удобрений.

При растворении диоксида углерода в почвенной влаге образуется угольная кислота (Н2СО3), которая диссоциирует на ионы Н+ и НСО3 .

Обогащение почвенного раствора углекислым газом усиливает его растворяющее действие на минеральные соединения почвы (фосфаты и карбонаты кальция и др.), способствует переводу их в усвояемые формы. В то же время при плохой аэрации и высоком содержании углекислого газа, недостатке кислорода, что наблюдается при избыточной влажности, в почве начинают преобладать восстановительные процессы, ухудшается дыхание и рост корней, уменьшается усвоение корнями питательных элементов. Хорошая аэрация создает в почве благоприятные условия для развития почвенных микроорганизмов, питания и роста растений.

1.2. Органическая часть почвы

Органическое вещество почвы, хотя и составляет небольшую часть твердой фазы, является наиболее важным показателем плодородия почв и играет большую роль в питании растений.

Органическое вещество почвы – это совокупность всех органических веществ, находящихся в форме гумуса и остатков животных и растений. Органические вещества твердой фазы почвы подразделяются на две большие группы:

  1. Гумусовые или перегнойные вещества специфической природы.
  2. Негумифицированные вещества растительного и животного происхождения, остатки растений, червей, насекомых, тела микроорганизмов.

Гумус – часть органического вещества почвы, представленная совокупностью специфических и неспецифических органических веществ почвы, за исключением соединений, входящих в состав животных организмов и их остатков. В процессе гумификации происходит новообразование сложных продуктов – собственно гумусовых соединений. На их долю приходится 85–90 % всей органической части почвы, и, по существу, они являются формой аккумуляции солнечной энергии на земле. Гумус концентрирует энергию солнца, перераспределяет ее и обеспечивает энергией последовательную цепь организмов, выполняющих значительную механическую работу, а также биохимические и химические реакции, составляющие сущность почвообразования.

Негумифицированные органические вещества – это отмершие, но еще не разложившиеся или полуразложившиеся остатки растений и микроорганизмов. На площади 1 га в почву ежегодно поступает 5–10 т растительных остатков и 0,7–2,4 т продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Негумифицированные органические вещества сравнительно легко разлагаются в почве. Содержащиеся в них элементы питания (азот, фосфор, сера и др.) переходят в доступные для растений формы.

Одновременно в почве идут процессы гумификации растительных и животных остатков и образуются специфические гумусовые вещества. Гумус состоит из гуминовых кислот, фульвокислот, гиматомелановых кислот и гуминов.

Гуминовые кислоты – группа темноокрашенных гумусовых кислот, растворимых в щелочах и нерастворимых в кислотах. Они представляют собой гетерогенную группу высокомолекулярных азотсодержащих органических кислот, включающих ароматические циклы и алифатические цепи.

Гуминовые кислоты содержат в зависимости от типа почвы 30– 43 % углерода, 32–42 % водорода, 17,5–22 % кислорода, 2,4–3 % азота, а также фосфор, серу и другие элементы питания.

Фульвокислоты – группа гумусовых кислот, растворимых в воде, щелочах и кислотах. Фульвокислоты – гумусовые вещества желтой или красноватой окраски. В структуре фульво-, как и гуминовых кислот, установлены ароматические и алифатические группы. Однако ароматическая часть их в молекуле выражена менее ярко, в основном преобладают боковые цепи, т. е. алифатические, углеводные и аминокислотные компоненты. По составу фульвокислоты различных типов почв менее разнообразны. Они обладают высокой подвижностью, значительно более низкими молекулярными массами, чем другие группы гумусовых веществ. Фульвокислоты содержат 27–30 % углерода, 34– 42 % водорода, 25–30 % кислорода и 1,4–2,5 % азота.

Фульвокислоты по сравнению с гуминовыми кислотами содержат меньше углерода и азота, но больше кислорода. Обладают относительно более выраженными кислотностью и склонностью к комплексо- и хелатообразованию.

Гиматомелановые кислоты – группа гумусовых кислот, растворимых в этаноле, с промежуточными свойствами между фульвокислотами и гуминовыми кислотами. Ранее включалась в группу гуминовых кислот. Отличается от последних растворимостью в полярных органических растворителях и другими свойствами.

Гумин – органическое вещество, входящее в состав почвы, нерастворимое в кислотах, щелочах, органических растворителях. Эта неэкстрагируемая часть гумуса представлена двумя типами соединений: гумусовыми веществами, наиболее прочно связанными с глинистыми минералами; частично разложившимися растительными остатками, утратившими анатомическое строение и обогащенными наиболее устойчивыми компонентами, прежде всего лигнином. В тяжелых глинистых почвах гумины составляют более 50 % гумуса.

Гумифицированные вещества почвы более устойчивы к микробиологическому разложению, чем негумифицированные соединения. Однако разложение гумуса в почве, хотя и медленно, но происходит. В условиях Республики Беларусь на полях, занятых зерновыми культурами, за вегетационный период на дерново-подзолистых почвах разлагается 0,7–0,8 т/га гумуса, пропашными – 1,0–1,2 т/га с образованием доступного растениям минерального азота, фосфора, серы. В гумусе содержится около 5 % азота, 1,5–2,5 % фосфора. В дерновоподзолистых почвах на органические соединения в зависимости от гранулометрического состава приходится 30–40 % фосфора и 90 % серы от общего содержания этих элементов в почвах.

Гумус является не только источником питательных элементов для растений, но и оказывает прямое влияние на водно-физические свойства почвы. С увеличением содержания в почве углерода уменьшается плотность почвы, увеличивается порозность и влагоемкость. Органическая часть почвы обладает мощной водоудерживающей способностью, может связать в 7–10 раз больше воды, чем минеральная. На каждый процент гумуса в почве влагоемкость ее повышается на 8–10 весовых процентов. Это особенно важно для легких супесчаных и песчаных почв.

Для тяжелых глинистых и суглинистых почв положительная роль гумуса определяется его влиянием на рыхлость, аэрацию, устранение избыточной влажности, т. е. установление более благоприятных условий для роста и развития растений.

Специфическая роль гумуса в оструктуривании определяется, главным образом, подвижными, гидрофильными компонентами, входящими в его состав.

Систематическое применение органических, минеральных удобрений в сочетании с известкованием почвы оказывает существенное влияние на улучшение водно-физических свойств почв. По данным Института почвоведения и агрохимии НАН Республики Беларусь, на дерново-подзолистой слабоокультуренной легкосуглинистой почве экспериментальной базы «Куросовщина», отличающейся малой фильтрационной способностью, известкование, внесение органических, минеральных удобрений и посев клевера повышало коэффициент фильтрации с 0,7 до 63 м3 в сутки.

Исследованиями Института почвоведения и агрохимии НАН Беларуси установлено, что неблагоприятный водный режим песчаных почв существенно улучшался при применении высоких доз органических удобрений (от 60 до 220 т/га за ротацию 7-польного севооборота), при сочетании их с зелеными удобрениями, полным минеральным удобрением и известкованием. Применение органических удобрений способствовало улучшению физических свойств почвы, увеличивало полевую влагоемкость и запас продуктивной влаги.

Установлена и акцепторная роль гумуса в закреплении избыточного количества вносимых в почву минеральных и органических веществ. Эта функция гумуса особо четко проявляется при применении

минеральных удобрений и особенно азотных. Временно закрепленные элементы питания, вследствие более интенсивного развития микроорганизмов, постепенно переходят в доступную для растений форму равномерно на протяжении вегетации, обеспечивая сельскохозяйственные культуры необходимыми для питания соединениями. Закрепление избыточного в начале вегетации растений азота удобрений предохраняет его от вымывания, сохраняет в сфере развития корневой системы, обеспечивая растения азотом по мере минерализации в основные периоды роста и развития.

Гумусовые вещества оказывают защитное действие на ионы фосфора, калия и других питательных элементов. Они, обволакивая поверхность минералов гумусовыми пленками, препятствуют необратимой сорбции фосфатов в почве. Была замечена способность гумусовых веществ предотвращать фиксацию глинистыми минералами калия за счет образования соединений типа хелатов.

Способность гумуса акцептировать вносимые в почву в процессе техногенеза органические и минеральные токсичные вещества определяет его важную экологическую роль в агроценозах. В частности, гумусовые вещества обладают высокими величинами емкости катионного обмена и удельной поверхностью, играют важную роль в сорбции гербицидов. Велика роль гумуса в снижении токсичного действия тяжелых металлов. Гумусовые вещества способны образовать с тяжелыми металлами трудно- и нерастворимые высокомолекулярные комплексные соединения, что смягчает или полностью снижает воздействие токсикантов на микробные сообщества почв, снижает накопление токсичных веществ в растениеводческой продукции.

Причина низкого содержания гумуса в дерново-подзолистых почвах – условия их формирования, главным образом в связи с меньшим притоком ФАР и соответственно меньшим образованием свежего органического вещества, а также более интенсивными темпами его разложения. Поэтому необходимо создавать бездифицитный, а в ряде случаев и положительный баланс гумуса.

Отличительная особенность органического вещества дерновоподзолистых почв Республики Беларусь – высокое содержание углерода нерастворимого остатка (30–40 % валового содержания и более), что обусловлено использованием длительное время в качестве компонента торфо-навозных компостов больших количеств торфа, в состав которого входят специфические вещества (битум 4–5 %, лигнин 17– 18 %), слабо поддающиеся микробиологическому воздействию и не участвующие в почвообразовании и питании растений. Относительная скорость минерализации органического вещества торфа приблизительно в 4,5 раза ниже, чем навоза. Компост по скорости минерализации занимает промежуточное положение между навозом и торфом. Быстрая минерализация навоза обусловлена более высоким содержанием в нем водорастворимых веществ и меньшим содержанием трудноразлагающихся компонентов – целлюлозы, трудногидролизуемых белков, воскосмол, лигнина.

Содержание гумуса в почве оказывает существенное влияние на эффективность удобрений. По данным Института почвоведения и агрохимии НАН Республики Беларусь, за счет минерализации органических веществ почвы растения могут усвоить 20–25 кг азота на каждый процент гумуса в почве.

На почвах с невысоким содержанием гумуса возрастает потребность в азотных удобрениях, а фосфорные и калийные удобрения без внесения азота не проявляют высокой эффективности. На почвах с высоким содержанием гумуса снижается потребность в азотных удобрениях и повышается эффективность фосфорных и калийных, так как растения лучше обеспечиваются азотом за счет запасов почвы. Обобщение 62 опытов с ячменем на дерново-подзолистых супесчаных почвах показало, что прибавка урожая от применения 180 кг NPK составила 0,6 т/га зерна на почве с содержанием гумуса 1–1,3 % и 1,4 т/га при увеличении гумуса до 1,9–2,2 %, т. е. более чем в два раза.

Более высокая эффективность минеральных удобрений на хорошо гумусированных окультуренных почвах – свидетельство возрастающего значения плодородия почвы в интенсивном земледелии.

В связи с таким большим значением гумуса в плодородии почвы большой интерес представляют исследования по темпам гумусонакопления в почвах. Обобщение данных многолетних стационарных опытов с различными системами удобрения на дерново-подзолистых почвах показало, что наибольшие изменения в содержании гумуса происходят в первые 7–10 лет, затем этот показатель мало изменяется в связи с установлением равновесного состояния процессов минерализации – гумификации. При использовании почвы без удобрений содержание гумуса стабилизируется на уровне в среднем на 20 % ниже исходного, при использовании минеральной системы удобрений – на 15 %. При длительном применении навоза содержание гумуса сохраняется на исходном уровне, а при сочетании органических удобрений с минеральными наблюдается его повышение до 20 % выше исходного.

Характер содержания гумуса в почвах зависит от доз органических удобрений и климатических условий. На легких дерново-подзолистых почвах Соликамской опытной станции применение 7 т/га навоза в год в севообороте с многолетними травами слабо влияло на уровень гумусированости. Внесение 20 т/га навоза ежегодно в одном из длительных опытов в Германии в зернопропашном севообороте даже за 8 лет повысило содержание гумуса на 65 %. Повышение доз органических удобрений до экстремально высоких (60 т/га в год) в длительном опыте в Скерневицах (Польша) увеличивало содержание гумуса более чем в 3 раза (с 0,79 до 3,09 %).

При определении оптимума главное установить нижнюю границу содержания гумуса, при которой недостаток в почве органического вещества является тормозам в формировании высоких урожаев, что же касается верхнего предела, то для дерново-подзолистых почв его содержание будет определятся, прежде всего экономическими причинами. Высокое содержание гумуса в почве обходится дорого, и если почва содержит 3 % гумуса, то для поддержания этого высокого уровня потребуется в два раза больше вносить органических удобрений, чем при содержании 2 %, поскольку в первом случае значительно интенсивнее протекают микробиологические процессы. По данным Т. Н. Кулаковской, оптимальные параметры гумуса для дерновоподзолистых суглинистых почв составляет 2,5–3,0 %, супесчаных – 2,0–2,5 и песчаных – 1,8–2,0 %.

Многолетние травы наряду с органическими удобрениями являются одним из источников гумусонакопления.

При соотношении многолетних трав и пропашных культур 1,5 для поддержания бездефицитного баланса гумуса на связных почвах необходимо вносить 10–12 т/га подстилочного навоза, на легких 12–18 т/га.

Как показали исследования, для поддержания бездефицитного баланса гумуса на дерново-подзолистых почвах в плодосменных севооборотах при содержании многолетних трав в структуре посевных площадей от 19 до 30 % требуется от 14 до 7 т/га навоза соответственно.

Большое значение имеет не только общее содержание гумуса, но и его состав. В природе существует много примеров, когда высокое содержание гумуса еще не является показателем высокого плодородия. В то же время известны своим плодородием малогумусные почвы тропиков. Все это говорит о том, что плодородные почвы должны не только обладать определенным запасом гумуса, но важно еще, чтобы этот гумус был активным, мобильным, чтобы он не оставался мертвым запасом, а деятельно участвовал в биологических, химических и физических процессах почвы и обеспечивал растения элементами питания.

Исследования, проведенные в Институте агрохимии им. Д. Н. Прянишникова (Россия), показали, что длительное применение органических и минеральных удобрений практически не изменяло группового состава гумуса. В то же время при длительном применении удобрений наблюдалось количественное изменение содержания гумуса, физикохимических свойств почвы, интенсивности деятельности почвенной микрофлоры. Более сильное действие длительное применение удобрений оказывает на содержание подвижных и водорастворимых фракций. Результаты длительных опытов показали, что в вариантах с удобрениями увеличивается в дерново-подзолистых почвах содержание водорастворимых гумусовых веществ. Причем большее накопление водорастворимого гумуса отмечено при применении навоза и навоза совместно с NPK, чем одних NPK-удобрений.

В связи с накоплением водорастворимых форм органического вещества в почвах при длительном применении удобрений предполагают, что в его составе значительное место занимают свежеобразованные гумусовые соединения, находящиеся на ранних стадиях гумуфикации, более «молодые» в химическом отношении.

В процессе гумификации органическое вещество растительных остатков проходит ряд последовательных стадий, которые в зависимости от условий почвообразования протекают с различной для каждой стадии скоростью:

Растительные остатки  Гидрофильная стадия разложения  Гидрофобная стадия разложения  Ионно-молекулярная стадия разложения (минерализация).

Первая стадия гумуфикации характеризуется гидрофильностью, возникающей как за счет продуктов разложения растительных остатков, так и за счет разложения самих микроорганизмов, их разлагающих. Внесение навоза даже в высоких дозах ежегодно (60 т/га, Скерневицы, Польша) не увеличивает гидрофильность органического вещества почвы в отличие от минеральных удобрений. Это указывает на то, что навоз характеризуется скорее гидрофобными, чем гидрофильными свойствами. Это, по-видимому, связано с тем, что большое место в составе органического вещества навоза занимают уже полностью сформировавшиеся гумусовые вещества.

2. Поглотительная способность почвы

Способность почвы поглощать ионы и молекулы различных веществ из растворов и удерживать их называется поглотительной способностью почвы. Это свойство почвы было известно давно. Еще в середине XIX в. английский ученый Д. Уэй установил, что почвой поглощается не вся соль, а только ее основание, при этом из почвы в раствор переходит такое же количество других оснований.

Большой вклад в изучение поглотительной способности почвы внес К. К. Гедройц. В его трудах исследование поглотительной способности почв тесно увязано с многочисленными теоретическими и практическими вопросами применения удобрений, питания растений, химической мелиорации почв и т. д. К. К. Гедройц выделил пять видов поглотительной способности почв: механическую, физическую, химическую, физико-химическую, или обменную, и биологическую.

Механическая поглотительная способность – это наиболее простой вид поглощения, которое происходит благодаря наличию в почве тончайших пор и капиллярных ходов. Мелкие твердые частицы, взвешенные в фильтрующейся через почву воде, задерживаются, т. е. механически поглощаются. Механическая поглотительная способность зависит от гранулометрического и агрегатного состава почвы и ее сложения, у песчаных почв она минимальная, у глинистых – максимальная. Механически первоначально поглощаются фосфоритная мука, известковые удобрения (любой степени измельчения), микроорганизмы. Благодаря механической поглотительной способности из почвы не вымываются илистые частицы и нерастворимые в воде удобрения.

Физическая поглотительная способность почвы – это способность ее положительно или отрицательно адсорбировать газы, молекулы солей, спиртов, щелочей и других веществ. Растворенное вещество притягивается или отталкивается поверхностью твердых частиц почвы. Интенсивность физического поглощения прямо зависит от количества мелкодисперсных частиц в почве и считается положительным, когда молекулы растворенного вещества притягиваются частицами почвы сильнее, чем молекулы воды, и отрицательным, если сильнее притягиваются молекулы воды. Положительное физическое поглощение аммиака почвой происходит при внесении безводного аммиака или аммиачной воды, отрицательное – растворов нитратов и хлоридов. Это обусловливает высокую подвижность последних в почве, что необходимо учитывать при внесении нитратных и хлорсодержащих минеральных удобрений. Нитратные минеральные удобрения следует вносить ближе к посеву или в подкормку, а содержащие много хлора – с осени, чтобы произошло хотя бы частичное вымывание его, так как большинство культур отрицательно реагирует на хлор.

Химическая поглотительная способность – это способность почвы удерживать ионы путем образования труднорастворимых или нерастворимых в воде соединений в результате химических реакций, происходящих в почве. Наибольшее значение химическое поглощение имеет при превращении соединений фосфора в почве.

Физико-химическая, или обменная, поглотительная способность – это способность мелкодисперсных коллоидных частиц почвы (от 0,00025 мм до 0,001 мм), несущих отрицательный заряд, поглощать различные катионы из раствора, причем поглощение одних катионов сопровождается вытеснением в раствор эквивалентного количества других, ранее поглощенных твердой фракцией почвы. Совокупность мелкодисперсных почвенных частиц, обладающих обменной поглотительной способностью, К. К. Гедройц назвал почвенным поглощающим комплексом (ППК).

Почвенные коллоиды подразделяются на органические, минеральные и органо-минеральные. Органические коллоиды представлены гумусовыми веществами (гуминовые кислоты, фульвокислоты и их соли), минеральные – глинистыми минералами, как кристаллическими, так и аморфными соединениями (кремниевая кислота, гидраты полуторных оксидов).

Способность органических коллоидов и минералов глин к обменному поглощению катионов обусловлена их отрицательным зарядом. Поэтому поглощаются катионы солей (удобрений). Положительный заряд имеют коллоидные гидрооксиды железа и алюминия, тогда обменно поглощаются анионы NO3, H2PO4, SO42–. Обменно поглощаются в почве калийные и многие азотные удобрения.

Обменная поглотительная способность имеет большое значение для питания растений и применения удобрений. Поглощенные ППК катионы доступны для растений в обмен на Н+, получаемый при диссоциации Н2СО32СО3 → Н+ + HCO3), которая выделяется при дыхании корней растений.

Поскольку поглощенный калий на связных почвах не вымывается из почвы, то повышенные дозы калийных удобрений можно вносить в запас и повышать содержание калия в почве.

Закономерности обменного поглощения катионов:

  • реакция обмена между ППК и катионами солевых растворов протекает в эквивалентных соотношениях;
  • реакция обмена катионов обратима, т. е. поглощенный катион может быть снова вытеснен в раствор:

  • при постоянной концентрации раствора количество катионов, вытесняемых из почвы в раствор, увеличивается с увеличением объема раствора;
  • при постоянном объеме раствора количество катионов, вытесняемых из почвы в раствор, повышается с увеличением концентрации раствора вытесняющей соли;
  • реакции обменного поглощения в почвах подчиняются закону действующих масс: чем выше концентрация катионов в растворе и чем ниже содержание катионов в ППК, тем больше катионов поглотится почвой;
  • реакции обмена катионов при взаимодействии почвы с раствором протекают с большой скоростью, так как обмен катионов происходит на поверхности коллоидных частиц почвы;
  • разные катионы поглощаются почвой и удерживаются в поглощенном состоянии с неодинаковой энергией. Чем больше атомная масса и заряд катиона, тем сильнее он поглощается и труднее вытесняется из почвы другими катионами.

Двухвалентные и трехвалентные катионы несут большие электрические заряды и поэтому значительно сильнее притягиваются коллоидными частицами, чем одновалентные. При одинаковой валентности энергия поглощения катионов тем выше, чем больше их атомная масса, так как атомная масса и гидратация катиона находятся в обратной зависимости. Например, к Н+ присоединяется 1 молекула воды, к NH4+ – 4,4 молекулы воды, к Na+ – 8,4 молекулы воды. Слабогидратированные катионы сильнее притягиваются поверхностью коллоида.

По возрастающей способности к поглощению катионы располагаются в следующем порядке: Li; Na; NH4; К; Rb; Cs; Mg; Ca; Ba; Cd; Co; Al; Fe. Исключение составляет ион H+. Он имеет наименьшую атомную массу, но обладает высокой энергией поглощения и способностью вытеснять из поглощающего комплекса другие катионы.

По данным К. К. Гедройца, энергия поглощения Н+ в 4 раза больше, чем Са2+, и в 17 раз больше, чем Na+. Это связано с тем, что в водных растворах ион водорода присоединяет молекулы воды и образует ион гидроксония (Н3О+), диаметр которого значительно меньше всех других гидратированных ионов.

Обменное поглощение анионов может наблюдаться на положительно заряженных коллоидных частицах (гидроксиды железа и алюминия), а также на положительно заряженных участках отрицательно заряженных коллоидов (у минералов каолинитовой группы, коллоидов белковой природы). В обоих случаях поглощение анионов происходит в обмен на ионы ОН, которые при кислой реакции отщепляются от молекул, расположенных на поверхности коллоидной частицы. В почвах, имеющих слабокислую и нейтральную реакцию, обменное поглощение выражено слабо.

Существенное значение обменное поглощение анионов имеет для фосфорных удобрений. Анионы фосфорной кислоты (Н2РО4) в дерново-подзолистых почвах поглощаются обменно преимущественно путем присоединения к положительно заряженным частицам полуторооксидов и к той части почвенных минералов, которая представлена полуторными оксидами (например, у каолинита) в обмен на ионы ОН. Именно поглощенные фосфат-ионы могут быть вытеснены в раствор другими анионами минеральных и органических кислот (НСО3, гуминовых кислот и др.) и являются доступными для растений.

Катионы калия, аммония, рубидия и цезия могут частично закрепляться (фиксироваться) почвами в необменной форме. Это связано с тем, что они проникают внутрь кристаллической решетки минералов, входящих в почвенный поглощающий комплекс. Связано это с радиусом катиона. Радиус катиона К+ = 1,33 А , радиус NH4+ = 1,43 А ( А – ангстрем; 1 А = 10–10 м = 10–8 см = 0,1 мм).

Степень необменной фиксации катионов зависит от гранулометрического и минералогического состава почвы. У черноземов она значительно больше, чем у дерново-подзолистых почв. Необменная фиксация катионов возрастает при периодическом увлажнении и высушивании почвы. Поэтому калийные удобрения для уменьшения необменной фиксации калия рекомендуется заделывать вспашкой в глубокий, непересыхающий слой почвы или вносить лентами, перемешивая с меньшим объемом почвы. Предпочтительнее гранулированные калийные удобрения.

Биологическая поглотительная способность почвы состоит в том, что азот и зольные элементы удерживаются почвой в составе органических веществ, образуемых растениями и почвенными микроорганизмами, благодаря чему эти питательные элементы не вымываются из почвы. Биологическое поглощение играет важную роль в превращении нитратных соединений азота в почве. Так, легкорастворимые соли азотной кислоты удерживаются в почве главным образом, будучи усвоенными микроорганизмами. После их отмирания и минерализации они вновь становятся доступными для растений. В среднем на площади 1 га микроорганизмы могут удерживать до 125 кг азота, 40 фосфора и 25 кг калия.

Исследованиями, проведенными со стабильным изотопом азота, установлено, что в почве в органической форме закрепляется 20–40 % азота аммонийных и 10–20 % азота нитратных азотных удобрений.

Эта же способность почвы может иметь и отрицательные последствия. Если в почву вносится много богатого клетчаткой, но бедного азотом органического вещества (солома; навоз, содержащий много соломы, опилки и другие органические материалы), то микроорганизмы, будучи конкурентами растений, используя клетчатку в качестве энергетического материала, будут интенсивно размножаться и потреблять много азота из почвы. Азотное питание растений может ухудшиться. Поэтому при запашке соломы на удобрение в почву необходимо вносить в расчете на каждую ее тонну 10–12 кг азота или 6–8 т/га жидкого навоза или же высевать зернобобовые культуры.

Известкование кислых почв, комбинированное внесение органических и минеральных удобрений позволяют регулировать интенсивность микробиологических процессов в почве.

3. Реакция и буферные свойства почвы

Реакция почвы – физико-химическое свойство почвы, обусловленное соотношением ионов Н+ и ОН в ее твердой и жидкой частях. Почва кислая, если в ней преобладают ионы Н+, и щелочная, если ионы ОН. Реакция почвы оказывает большое влияние на развитие растений и почвенных микроорганизмов, на эффективность удобрений, на химические и биохимические процессы в почве. Для количественной оценки реакции почвы применяют различные показатели: рН суспензии почвы в воде или в растворе КСl.

Концентрацию ионов водорода в растворе принято выражать условной величиной рН (отрицательный логарифм концентрации Н+ ионов).

Принято следующее деление минеральных и торфяных почв Республики Беларусь в зависимости от реакции почвенного раствора рНКС1 (табл. 3).

Таб лица 3. Градация почв по степени кислотности

Группы Степень кислотности Почвы
минеральная торфяная
I Сильнокислые Менее 4,5 4,00
II Среднекислые 4,51–5,00 4,01–4,50
III Кислые 5,01–5,50 4,51–5,00
IV Слабокислые 5,51–6,0 5,01–5,50
V Близкие к нейтральным 6,01–6,50 5,51–6,00
VI Нейтральные 6,51–7,00 6,01–6,50
VII Слабощелочные Более 7,0 Более 6,50

По кислотности почв выделяют актуальную (активную) и потенциальную (скрытую) кислотность. Последняя подразделяется, в свою очередь, на обменную и гидролитическую.

Актуальная кислотность – это кислотность почвенного раствора, обусловленная повышенной концентрацией в нем ионов Н+, а также слабых минеральных (Н2СО3), органических кислот и гидролитически кислых солей (АlСl3). Последние при гидролизе образуют слабое основание и сильную кислоту:

Актуальная кислотность непосредственно влияет на развитие растений и почвенных микроорганизмов.

Потенциальная (скрытая) кислотность обусловлена ионами Н+, Аl3+ и Fe3+, поглощенными почвенным поглощающим комплексом (ППК) с отрицательным зарядом. Часть поглощенных ионов водорода и алюминия может быть вытеснена в раствор катионами нейтральных солей (КСl):

в результате чего почвенный раствор подкисляется. Это обменная потенциальная кислотность почвы, выражается рН в КСl.

При обработке почвы уксуснокислым натрием CH3COONa или уксуснокислым кальцием (СН3СОО)2Са все ионы, обусловливающие кислотность почвы, вытесняются в раствор:

Эта полная кислотность получила название гидролитической. Кислотность, обнаруживаемая при обработке почвы раствором

CH3COONa, включает актуальную и потенциальную кислотность – как обменную, так и собственно гидролитическую (которая не обнаруживается КС1). Гидролитическая кислотность выражается в мэкв в 100 г почвы.

Свойства почвы характеризуются также степенью насыщенности основаниями – суммой поглощенных оснований, выраженной в процентах от емкости катионного обмена (ЕКО):

где V – степень насыщенности почвы основаниями, %; S – сумма поглощенных оснований (кроме Н+); Т (ЕКО) – поглотительная способность всех катионов, включая ионы водорода, мг-экв/100 г почвы.

Степень насыщенности основаниями показывает, какая часть общей емкости поглощения приходится на поглощенные основания и какая – на ионы водорода. Например, V = 70 % означает, что 70 % от общей емкости катионного обмена (Т) занимают основания и 30 % ионы водорода.

Буферная способность почв. Почвенный раствор подкисляется в результате выделения углекислоты при дыхании корней, образовании HNО3 при нитрификации и от продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Реакция почвы изменяется также от применения удобрений. Изменение реакции разных почв под действием этих факторов неодинаково. Способность почвы противостоять изменению реакции почвенного раствора в кислую или щелочную сторону называется буферной способностью почвы. Буферность почвы в целом зависит от буферных свойств ее твердой и жидкой частей. Буферность раствора создается слабыми кислотами и их солями. Слабые кислоты диссоциируют не полностью, большая часть их находится в виде недиссоциированных молекул:

Если к этому раствору прибавить NaOH, то произойдет связывание ионов Н+ с образованием воды и рН изменится мало. Следовательно, слабая кислота будет противодействовать подщелачиванию раствора.

Раствор слабой кислоты и ее соли будет буферным также и против подкисления:

CH3COONa + HCl = СН3СООН + NaCl.

Буферность почвенного раствора обусловливается также водорастворимыми органическими кислотами и их солями:

(RCOO)2Ca + 2HNО3 = 2RCOOH + Ca(NО3)2, 2RCOOH + Са(ОН)2 = (RCOO)2Ca + 2Н2О.

Чем больше общая емкость поглощения и степень насыщенности почвы основаниями, тем сильнее почва противостоит подкислению:

Чем больше ионов водорода в почве, тем сильнее она будет противостоять подщелачиванию.

На почвах с низкой буферной способностью (песчаных, супесчаных, бедных гумусом) при внесении физиологически кислых удобрений возможны резкие сдвиги реакции в кислую сторону. На таких почвах вносят также меньшие дозы извести, чем на суглинистых, так как они слабо противостоят подщелачиванию. Это нужно учитывать при внесении минеральных удобрений и извести.

Многостороннее влияние на питание растений оказывает состояние почвенного поглощающего комплекса, поскольку от его состава и характера зависит содержание питательных элементов в почвах, их подвижность и доступность для растений, поведение вносимых удобрений, что в конечном итоге определяет режим питания растений, специфику системы применения удобрений на различных почвах.

Большое значение для плодородия почв имеет общее количество способных к обмену катионов, что называют емкостью катионного обмена. В кислых слабо- и среднеокультуренных почвах емкость поглощения низкая и колеблется от 3–5 мг-экв/100 г на песчаных почвах до 11–12 мг-экв/100 г почвы на суглинистых почвах. В хорошо окультуренных дерново-подзолистых почвах емкость поглощения катионов достигает 15–17 мг-экв/100 г почвы, а степень насыщенности основаниями – 70–80 %. Малая степень насыщенности почв основаниями указывает на большое содержание в поглощающем комплексе водорода и алюминия. Оптимальной степенью насыщенности основаниями для дерново-подзолистых суглинистых почв в пахотном горизонте является 79–90 %, для супесчаных, подстилаемых мореной, – 70–85 % и для песчаных и рыхлосупесчаных, подстилаемых мореной, – 60–80 %.

По данным Т. Н. Кулаковской, наблюдается самая тесная связь между урожайностью сельскохозяйственных культур и свойствами почвенного поглощающего комплекса. Отмечается высокая отзывчивость озимой ржи и ячменя на повышение суммы поглощенных оснований и степени насыщенности ими почвы. После известкования кислых почв увеличивается емкость поглощения и степень насыщенности основаниями и на первое место по влиянию на урожай уже становится обеспеченность почвы питательными элементами.

Кислотность почвы отрицательно влияет на рост и развитие многих сельскохозяйственных культур. Повышенная концентрация ионов водорода и алюминия в дерново-подзолистых почвах оказывает как прямое, так и косвенное действие на питание растений.

При систематическом внесении минеральных азотных и калийных физиологически кислых удобрений наблюдается подкисление реакции почвенного раствора. В связи с этим интенсивное применение минеральных удобрений должно сочетаться с известкованием.

Прямое действие заключается в нарушении коллоидно-химических свойств протоплазмы растительных клеток, изменении в неблагоприятную сторону концентрации органических кислот в клеточном соке, нарушении белкового обмена и торможении синтеза белка, изменении адсорбции и поглощения растениями ионов.

По силе воздействия на рост и развитие растений реакция почвы в большинстве случаев выступает как главный фактор, ограничивающий урожай.

На слабокислых и близким к нейтральным почвам доступность фосфора для растений выше, чем на кислых, и дозы фосфорных удобрений могут быть снижены. Повышенная кислотность почвы отрицательно сказывается и на эффективности азотных удобрений. На почвах с меньшей кислотностью снижается потребность в азотных удобрениях и возрастает в калийных. На известкованных почвах возрастает на 15–20 % оплата урожаем минеральных удобрений и улучшается качество зерновых, сахарной свеклы и других сельскохозяйственных культур.

Агрофизические свойства почвы оказывают существенное влияние на урожайность сельскохозяйственных культур и эффективность удобрений. Уплотнение почвы происходит под влиянием естественных факторов – дождя, особенно при отсутствии растительного покрова, и сил гравитации. Однако основной причиной уплотнения является механическое воздействие ходовой системы тракторов, комбайнов, почвообрабатывающих машин, средств для внесения в почву органических и минеральных удобрений и др.

Оптимальная плотность пахотного слоя дерново-подзолистых суглинистых почв для зерновых культур составляет 1,1–1,3 г/см3, для картофеля – 1,0–1,2, а супесчаных – 1,2–1,5 г/см3. Фактическая плотность значительно выше. В среднем в Республике Беларусь плотность пахотного слоя суглинистых почв превышает оптимальную на 0,18– 0,20 г/см3, а подпахотного – на 0,35–0,50 г/см3. В зависимости от погодных условий увеличение плотности пахотного слоя сверх оптимального на 0,15 г/см3 уменьшает урожайность зерновых культур на 3,1–5,6, кормовой свеклы – на 85–249 ц/га.

Снижение урожайности сельскохозяйственных культур при уплотнении почвы происходит в результате ухудшения ее водновоздушного режима, усиления процесса эрозии почвы и засоренности посевов, отрицательного влияния на усвоение растениями азота, фосфора, калия и других элементов питания.

Применение тяжелых тракторов увеличивает и без того высокую плотность, ухудшает водно-воздушный режим почвы. Максимальное давление всех колесных тракторов на почву весной выше допустимого. Поэтому весенне-полевые работы рекомендуется проводить гусеничными тракторами, а мощные тракторы использовать летом и осенью, когда влажность пахотного слоя не превышает 0,7 % полевой влагоемкости.

Уменьшить плотность пахотного горизонта и увеличить влагоемкость можно, применяя повышенные дозы органических удобрений и обрабатывая почву. Основными причинами снижения урожайности при уплотнении почвы является ухудшение условий для формирования мощной корневой системы. Уменьшения плотности пахотного слоя можно добиться глубоким рыхлением (на 35–40 см). Глубокое подпахотное рыхление на автоморфных почвах должно проводиться весной, на временно избыточно увлажненных – как весной, так и осенью.

3.1. Азотный режим почвы

Почва – основной источник азота для сельскохозяйственных культур. Он находится в составе гумуса, органических соединений, входящих в растительные остатки разной степени разложения, в микробной плазме. Валовое содержание азота в почвах Республики Беларусь варьирует в значительных пределах и зависит от типа почвы, гранулометрического состава, запасов гумуса, режима увлажнения, степени окультуренности почвы.

Наиболее богаты азотом торфяно-болотные почвы, где его содержание колеблется в пределах 2,5–5,2 % , а запасы в пахотном горизонте – 16–20 т/га. В дерново-подзолистых почвах содержание общего азота колеблется от 0,10–0,16 % в суглинистых до 0,08–0,13 в супесчаных и 0,07–0,10 % в песчаных почвах.

На органические соединения: белки, амины, амиды, аминокислоты и др. приходится 93–95 % почвенного азота. Органический азот практически недоступен растениям и переходит в усвояемую для растений форму лишь после минерализации.

Различные группы микроорганизмов осуществляют процессы аммонификации и нитрификации, в результате которых в почве накапливается минеральный азот, входящий в состав аммиачных и нитратных форм. В дерново-подзолистых почвах количество минеральных соединений – нитратов и обменно-поглощенного аммония – невелико и не превышает 1–3 % от общего содержания азота.

Содержание и запасы азота в дерново-подзолистых почвах снижаются в нижележащих горизонтах и зависят от гранулометрического состава почвы (табл. 4).

Таблица 4. Содержание и запасы азота в дерново-подзолистых почвах (Т. Н. Кулаковская)

Генетический горизонт Глубина взятия

образца, см

Гумус,

%

Общий азот,

%

Запасы общего

азота, т/га

Фиксированный аммоний
мг/кг % от общ.

N

Среднесуглинистая почва на моренном суглинке
Аn 4–20 2,45 0,179 6,4 51,2 2,9
А2В1 30–40 0,69 0,064 1,4 41,4 6,5
В1 55–68 0,32 0,054 2,8 44,0 8,2
В2 90–100 0,20 0,031 3,5 33,8 10,9
С 165–175 0,07 0,025 2,3 40,4 16,2
Легкосуглинистая почва на лессовидном суглинке
Аn 2–18 1,69 0,119 3,1 46,0 3,9
А2 30–40 0,81 0,091 3,7 42,5 4,7
В1 55–65 0,51 0,056 3,8 44,0 7,9
В2 102–114 0,28 0,320 1,7 37,3 11,7
С 140–150 0,22 0,036 4,7 43,0 11,9
Связнопесчаная почва, подстилаемая моренным суглинком
Аn 5–15 1,30 0,070 2,2 14,5 2,1
А2В1 25–35 0,48 0,039 1,2 11,8 3,0
В1 50–65 0,14 0,014 0,6 1,7 1,2
В2 80–100 0,14 0,021 1,6 18,4 8,8
С 140–150 0,07 0,013 1,1 24,5 18,9

Общие запасы азота в метровом слое дерново-подзолистых суглинистых почв в 2–2,5 раза больше, чем песчаных.

Содержание общего азота тесно связано с содержанием гумуса. Содержание фиксированного аммония незначительно изменяется в генетических горизонтах суглинистых почв. В песчаных почвах содержание фиксированного аммония резко снижается в горизонте В1, а затем увеличивается в горизонтах В2 и С, где пески сменяются моренным суглинком. Однако относительное его содержание, как в суглинистых, так и супесчаных почвах, значительно увеличивается в нижних горизонтах почв. Эта фракция минеральных соединений азота связана с глинистыми минералами и органическим веществом почвы. Поглощение почвой аммония следует рассматривать как положительный процесс, особенно на песчаных почвах, так как при этом азот удобрений не вымывается и грунтовые воды не загрязняются.

Как показали исследования Н. Н. Семененко, более высокое относительное содержание (% от общего) фиксированного аммония в суглинистых почвах при их окультуривании указывает на то, что процесс аккумуляции этой фракции азота проходит более интенсивно, чем процесс гумусообразования и накопления общего азота.

Определение фракционного состава азота по методу ШкондеКоролевой показало, что при окультуривании почвы запасы минеральных соединений азота возрастают. Около 50 % метрового слоя минеральных соединений азота приходится на слой 0–40 см (табл. 5).

Содержание минерального азота (нитратов, нитритов и обменного аммония) при сельскохозяйственном использовании и окультуривании увеличивается на суглинистых почвах от 5,9 до 28,6 мг/кг, супесчаных – от 6,8 до 20,2 и песчаных – от 8,0 до 15,8 мг/кг. С глубиной относительное содержание минеральных соединений азота возрастает, что связано с более интенсивной миграцией вниз по профилю почвы минеральных соединений азота.

Среди органических соединений азота его легкогидролизуемая фракция (амиды, часть аминов, часть необменного аммония) является в агрономическом отношении наиболее ценной, так как она есть ближайший резерв в питании растений. Запасы легкогидролизуемых соединений азота в пахотных почвах с повышением окультуренности повышаются (табл. 2.5). При окультуривании легких почв интенсивность аккумуляции фракции легкогидролизуемого азота опережает интенсивность накопления общего азота.

В суглинистых почвах содержание трудногидролизуемого азота (часть аминов, амиды, необменный аммоний, часть гуминов) значительно преобладает над содержанием легкогидролизуемого, а в песчаных почвах, наоборот.

Негидролизуемый азот (большая часть аминов, гумины, меланины, битумы, остаток необменного аммония) – фракция, представленная более стойкими к гидролизу и микробиологическому разложению органическими азотсодержащими соединениями, – составляет большую часть валовых запасов азота дерново-подзолистых почв (80–82 % в слое 0–40 см в суглинистых и супесчаных почвах и 70–75 % в песчаных). Закономерности распределения в почвенном профиле негидролизуемых соединений азота в целом совпадают с распределением общего азота.

Таблица 5. Фракционный состав азота в дерново-подзолистых почвах (Н. Н. Семененко)

Окультуренность почвы Содержание фракций азота, кг/га
Мощность, см Азот общий Минеральный Легкогидролизуемый Трудногидролизуемый Негидролизуемый
Суглинистая
Слабая 0–20 2685 33 209 257 2189
0–40 4517 64 360 425 3667
0–100 6022 104 493 612 4811
Средняя 0–20 3711 47 183 345 3139
0–40 6273 90 370 569 5246
0–100 7583 183 511 757 6135
Хорошая 0–20 4110 69 251 319 3741
0–40 7426 128 474 574 6246
0–100 9057 194 636 839 7390
Супесчаная
Слабая 0–20 1904 23 217 104 1556
0–40 2551 35 293 181 2042
0–100 3505 70 409 321 2706
Средняя 0–20 2270 32 175 180 1895
0–40 3499 61 275 298 2864
0–100 4935 112 423 606 3794
Хорошая 0–20 2611 39 226 297 2047
0–40 4117 77 369 534 3138
0–100 5533 147 516 955 3916
Песчаная
Слабая 0–20 1623 24 257 140 1252
0–40 2292 43 438 269 1654
0–100 3453 89 664 575 2318
Средняя 0–20 2754 28 295 279 2189
0–40 4948 51 539 507 3952
0–100 6819 93 675 787 5274
Хорошая 0–20 3021 42 409 435 2245
0–40 5507 71 717 789 4109
0–100 8258 136 1035 968 6479

Имеются определенные различия азотного фонда в дерновоподзолистых избыточно увлажняемых почвах, которых в Республике Беларусь насчитывается более 1,8 млн. га. С увеличением гидроморфности почв содержание азота в них возрастает. Запасы общего азота в метровом слое временно избыточно увлажняемых почв возрастают по

сравнению с автоморфными: в суглинистых – на 27 %, супесчаных – на 14, песчаных – на 11 %; в глееватых соответственно – на 111, 53 и 29 %. При этом с возрастанием степени гидроморфности почв доля минерального азота снижается, а легкогидролизуемого и трудногидролизуемого возрастает. Избыточно увлажняемые почвы в отличие от автоморфных содержат больше влаги и имеют более короткий благоприятный период для процессов нитрификации.

Наибольшими запасами азота отличаются торфяно-болотные почвы, в которых в верхнем горизонте при благоприятных условиях для минерализации может накапливаться до 300–500 кг/га минерального азота. Мелиорация торфяно-болотных почв активизирует процессы минерализации и уплотнения торфа.

Азотный режим торфяно-болотных почв во многом определяется возделываемыми на них культурами. Наиболее интенсивно минерализация органического вещества протекает под пропашными культурами. Минимальные потери органического вещества и наиболее интенсивное использование почвенных запасов наблюдаются под многолетними травами. Промежуточное положение занимают зерновые культуры. В связи с этим важнейшей задачей рационального использования торфяно-болотных почв является изыскание путей регулирования темпов биологической минерализации органического вещества, с одной стороны, и максимальное использование растениями накапливающегося количества минерального азота и снижения непроизводительных потерь – с другой.

3.2. Фосфатный режим почвы

Важным показателем потенциального плодородия почв является содержание валового фосфора. Он состоит из органических и минеральных соединений. Общее содержание фосфора может колебаться в зависимости от гранулометрического состава почвы, степени ее окультуренности, от особенности материнской породы, генезиса.

По данным Т. Н. Кулаковской, И. Р. Вильдфлуша и др., содержание валового фосфора в дерново-подзолистых глеевато-легко- и среднесуглинистых почвах составляет 0,14–0,16 %; в легкосуглинистых, развивающихся на моренном суглинке, – 0,09–0,12, супесчаных, подстилаемых моренным суглинком, – 0,07–0,12, песчаных – 0,06–0,08 %.

Верхние горизонты, как правило, независимо от типа почвы и гранулометрического состава, больше содержат общего фосфора, чем нижележащие. Это связано с биологическим фактором и деятельностью человека. Развитие почвообразовательного процесса связано с постепенным переносом фосфатов корневой системой растений из нижележащих горизонтов в верхние.

Органические и минеральные фосфаты находятся в состоянии взаимопревращений. Соотношение между этими формами фосфора определяется направленностью почвообразования. В дерново-подзолистых почвах минеральные фосфаты преобладают над органическими. Содержание органического фосфора в этих почвах составляет 16–48 % от общего и в тяжелых почвах выше, чем в легких. В отличие от дерновоподзолистых почв в торфяно-болотных почвах, наоборот, содержание органических фосфатов преобладает над минеральными и достигает 70 %.

Минеральные фосфаты в почвах по степени участия в фосфорном питании растений можно в упрощенной схеме разделить на следующие три группы, находящиеся в постоянном обмене и динамическом равновесии:

Первая группа – ортофосфаты почвенного раствора, полностью доступные растениям. Это однозамещенные водорастворимые фосфаты кальция и магния, фосфорнокислые соли одновалентных катионов калия, натрия, аммония и др. Эта фракция интенсивно используется растениями в начальный период роста и развития растений. О степени подвижности фосфатов в почвах (фактор «интенсивности») можно судить по способности твердых фаз почвы отдавать в раствор ионы фосфора. Мерилом этой способности является установление содержания фосфора в почвенном растворе.

Однако выделение почвенного раствора очень сложно, поэтому исследователями предложены водные слабосолевые вытяжки при узком соотношении почвы к раствору, что позволяет получать данные, близкие к концентрации фосфора в почвенном растворе. Наибольшее распространение из этой группы методов получил метод Скофилда – определение фосфора в 0,01М СаС12 вытяжке.

В Беларуси принята следующая градация почв по методу Скофилда (мг Р2О5 на 1 л):

  • 1) низкое – менее 0,1;
  • 2) среднее – 0,1–0,2;
  • 3) повышенное – 0,21–0,60;
  • 4) высокое – 0,61–2,0;
  • 5) очень высокое – более 2,0.

Лабильные фосфаты – это фосфаты, осевшие или адсорбированные на поверхности твердых частиц почвы, почвенно-поглощающего комплекса, оксидах железа и алюминия, а также вторичные, которые образовались после формирования почвы. Ученые считают, что 4–10 % всего почвенного фосфора связано адсорбционно. В отличие от первичных минералов вторичные фосфаты являются активной мобильной составной частью почвы. К ним относятся дегидрокальцийфосфат (СаНРО4 · 2Н2О), октакальцийфосфат (Са4Н(РО4)3), одно- и двухзамещенные фосфаты железа. При нарушении фосфорного равновесия твердой и жидкой частей почвы эти фосфаты могут переходить в почвенный раствор. Фосфаты второй группы характеризуют запасы подвижного фосфора – фосфатную «емкость» почвы – и являются резервом для последующего снабжения растений фосфором. Для определения величины запаса подвижных фосфатов используют (в зависимости от типа и состава почв) кислотные (табл. 6), щелочные, буферные растворители, анионно-обменные смолы, радиоизотопный метод и др. В Беларуси широко используется метод Кирсанова.

Стабильные фосфаты – труднорастворимые соединения, заключенные в почве в первичных и вторичных минералах (окклюдированные гидратами полутораоксидов, карбонатами и др.). Наиболее устойчивой формой, медленно поддающейся химическому и биологическому воздействию, является фосфор в составе кристаллической решетки первичных минералов почвы: апатитов, фосфоритов, варисцитов, стренгитов, вивианитов. Фосфаты третьей группы почти недоступны для растений. Однако в процессе выветривания они могут становиться более доступными и служить источником фосфорного питания.

Таблица 6. Группировка почв Беларуси по содержанию подвижных форм фосфора по методу Кирсанова

Группы почв по содержанию питательных элементов Содержание Р2О5, мг/кг почвы
минеральные торфяные
1. Очень низкое Менее 60 Менее 200
2. Низкое 61–100 201–300
3. Среднее 101–150 301–500
4. Повышенное 151–250 501–800
5. Высокое 251–400 801–1200
6. Очень высокое Более 400 Более 1200

Органические фосфаты в почве представлены различными по природе группами соединений: индивидуальной природы (неспецифические органофосфаты) и гумусообразования (специфические соединения). Неспецифические органофосфаты относят к трем основным классам соединений: фосфолипиды, нуклеиновые кислоты и инозитолфосфаты. При этом кальциевые и магниевые соли инозитолфосфорной кислоты содержатся в нейтральных почвах, а фитаты железа и алюминия – в кислых. Вниз по профилю почвы содержание органических фосфатов снижается, они распределяются в почве примерно так же, как и гумус. Фосфолипиды составляют менее 1 % всего органического фосфора, нуклеиновые кислоты – до 10 % и инозитолфосфаты – 30–60 %. Обнаружены также в небольших количествах фосфоропротеины, сахарофосфаты, глицерофосфаты, нуклеотидные коферменты, соединения фосфатов с аминокислотами и другими соединениями.

По новейшим данным многих авторов, больше половины фосфорорганических соединений представлены новообразованными специфическими фосфогумусными соединениями. Формы этих соединений пока неясны, хотя некоторые данные позволяют считать, что фосфор в них связан с гумусовыми кислотами через ион металла.

Исследования кафедры агрохимии Белорусской государственной сельскохозяйственной академии показали, что в гумусе дерновоподзолистых почв содержится 0,8–3,5 % Р2О5 к его массе. Причем, как правило, чем меньше гумуса в почве, тем выше его насыщенность органическим фосфором.

Природные фосфорорганические соединения претерпевают в почвах физико-химические изменения в результате реакций хелатообразования, сорбции, химического гидролиза, ферментативных превращений и окислительно-восстановительных реакций. В результате этих процессов значительная часть органических фосфатов минерализуется и пополняет запасы потенциально доступных минеральных форм.

Длительное внесение удобрений, особенно органических, увеличивает содержание органических фосфатов, но в меньшей степени, чем минеральных. Особенностью процесса минерализации органических фосфатов почвы является достаточно высокая подвижность ее продуктов, которые мало переходят в труднорастворимые соединения.

Процессы превращения недоступных для растений минеральных и органических соединений фосфора в усвояемую форму протекают очень медленно. Несмотря на большие общие запасы фосфора в почве, его доступных соединений в ней содержится обычно мало, поэтому чтобы получать высокие устойчивые урожаи сельскохозяйственных культур, необходимо применять фосфорные удобрения.

Как показали исследования, на более кислых дерново-подзолистых почвах происходит связывание фосфора, главным образом, полуторными оксидами алюминия и железа, на менее кислых почвах начинает возрастать связывание фосфора кальцием. Фосфаты в почве встречаются в виде солей различной основности. По мере ее повышения растворимость фосфатов в воде все более и более уменьшается, а вместе с тем падает доступность фосфора для растений.

Исследования показали, что природа связи поглощенных фосфатионов является преимущественно поверхностно-адсорбционной. При этом адсорбция по типу первичной адсорбции (хемосорбции), характерной чертой которой является поглощение фосфат-ионов как потенциалопределяющих ионов коллоидной частицы почвы (почвенно-поглощающего комплекса), происходит с образованием внутренней частицы двойного электрического слоя, что подтверждается наличием адсорбции катионов раствора соли фосфата как противоиона. Адсорбционное поглощение дерново-подзолистыми почвами составляет примерно 70–80 % от общего количества поглощенных фосфатов. Остальная часть (20–30 %) поглощается по химическому типу с образованием отдельной твердой фазы, главным образом, труднорастворимых фосфатов алюминия, железа различной основности, а также фосфатов кальция.

По мере взаимодействия с почвами поверхностно-адсорбированные фосфат-ионы претерпевают изменения и превращаются в химические соединения, характерные для данного типа почвообразования и с различной степенью доступности растениям.

Внесенные в дерново-подзолистые почвы водорастворимые формы фосфорсодержащих удобрений, подчиняясь законам термодинамики, с течением времени превращаются в более устойчивые формы. На начальных этапах взаимодействия с почвой происходит образование рыхлосвязанных фосфатов кальция и аморфных соединений фосфатов алюминия и железа. Фосфор этих соединений сравнительно легко усваивается сельскохозяйственными растениями. При длительном взаимодействии свежеосажденные фосфаты кальция и полуторных оксидов кристаллизуются и переходят соответственно в более основные и труднорастворимые соединения.

На кафедре агрохимии Белорусской государственной сельскохозяйственной академии в длительных стационарных опытах на дерновоподзолистых легкосуглинистых, супесчаных и песчаных почвах изучалось влияние применения удобрений на фосфатный режим почвы.

Установлено, что систематическое применение органических и минеральных удобрений приводит к возрастанию общего содержания фосфора как за счет минеральных, так и органических форм (табл. 7). На дерново-подзолистой легкосуглинистой почве через 22 года после закладки опыта при навозно-минеральной системе удобрения по сравнению с контролем накопление фосфатов в почве происходило примерно в равной степени за счет фосфатов полуторных оксидов и кальция. Причем в группе фосфатов кальция увеличение происходило в большей мере за счет его легкорастворимых форм, а в группе фосфатов полутораоксидов фосфаты алюминия среди накопленных преобладали над фосфатами железа (табл. 2.7). В то же время в варианте, где применялись только минеральные удобрения, на долю фосфатов полутораоксидов приходилось 60 %, а фосфатов кальция – 40 %.

Таким образом, сочетание органических и минеральных удобрений способствует сохранению в почве фосфора в более доступной форме, чем при внесении одних минеральных удобрений.

Таблица 7. Влияние длительного применения удобрений на формы фосфора в дерново-подзолистых почвах, мг/кг почвы (И. Р. Вильдфлуш)

Внесено на 1 га севооборота Р валовое Р органическое Р2О5 в 0,2 м

НСl

Р мин. по Гинзбург-Лебедевой
Са– Р I Ca– P II Al– P Fe– P Ca– P III Всего
Легкосуглинистые почвы
Ивановский стационарный опыт, Горецкий район, Могилевская область (картофель)
Без удобрений 1200 572 80 34 18 80 134 120 386
N50Р50К75 1381 621 150 45 27 108 146 125 451
Навоз 6 т/га + N25Р37К47 (эквивалентно варианту 2) 1402 655 170 54 39 110 152 204 480
Супесчаные почвы
Щучинский стационарный опыт, Гродненская область (озимая рожь)
Без удобрений 640 246 67 20 16 77 116 92 321
Навоз 10 т + N35Р58К58 810 294 185 51 34 110 124 102 422
N68Р73К91 (эквивалентно варианту 2) 820 280 191 40 30 127 133 107 457
Навоз 20 т + N38Р58К58 870 305 222 54 34 114 133 116 451
Песчаные почвы
Стационарный опыт колхоза «Припять», Пинский район, Брестская область
Без удобрений 560 180 152 38 36 85 46 27 232
N60Р90К60 693 185 224 48 50 200 73 36 407

В опыте Гродненской опытной станции на дерново-подзолистой супесчаной почве при применении в течение 13 лет N30Р50К50 на неизвесткованном фоне при сильнокислой реакции (рН в КСl 4,0) среди накопленных фосфатов в почве по сравнению с контролем на долю фосфатов полутораоксидов приходилось 79 % (54 % – на фосфаты алюминия и 22 % – на фосфаты железа), а на известкованном фоне (рНсол 5,5) на фосфаты полутораоксидов лишь 48 % и фосфаты кальция 52 %.

При сочетании N30Р50К50 с 10 т/га навоза на известкованном фоне (при рН в КСl 5,8) фосфорные удобрения в еще большей мере переходили в формы, связанные с кальцием (59 %).

На дерново-подзолистых песчаных почвах накопление фосфора в отличие от суглинистых и супесчаных происходило преимущественно за счет фосфатов алюминия.

Таким образом, применение органических удобрений и известкование способствуют сохранению фосфатов, вносимых с удобрениями в более доступной форме, и повышают их эффективность.

Уменьшение связывания фосфатов удобрений с алюминием и железом при применении органических удобрений связано с тем, что при их использовании оксиды алюминия и железа обволакиваются и упаковываются слоем органических коллоидов («гумусовой пленкой»). По мнению ряда исследователей, в зависимости от почвенных условий органическое вещество может выполнять роль конкурента фосфатионов за адсорбционные места на поверхности твердой фазы почвы, препятствуя их поглощению. Кроме того, некоторые кислоты, образующиеся на различных стадиях разложения органического вещества, весьма энергично вытесняют из фосфатов алюминия, железа и кальция поглощенные фосфат-ионы, пополняя запасы подвижных фосфатов.

3.3. Калийный режим почвы

Общие запасы калия в почве весьма велики по сравнению с азотом и фосфором. Содержание валового калия в дерново-подзолистых почвах составляет от 0,5 до 4 % и определяется их гранулометрическим составом. Чем больше в почве находится глинистых частиц, тем больше в ней калия. В тяжелых глинистых почвах содержание калия достигает 3–4 %, суглинистых – 2–2,5, на бедных песчаных почвах оно падает до 0,7–1,0 %.

По степени подвижности и доступности для растений содержащиеся в почве соединения калия подразделяются на следующие формы:

  1. Калий почвенного раствора или водорастворимый представлен различными солями: соляной, угольной, серной, азотной, фосфорной и других кислот (хлориды, карбонаты, сульфаты, нитраты, фосфаты и т. д.).
  2. Калий поглощенный или обменный, входящий в состав катионов почвенного поглощающего комплекса. Легкая доступность обменного калия обусловлена способностью его переходить в почвенный раствор. Определяется подвижный калий в почве по методу Кирсанова в вытяжке 0,2 м НСl, или обменный по методу Масловой в вытяжке 1 м СН3СООNН4.
  3. Калий необменный, или фиксированный, не экстрагируется из почвы растворами нейтральных солей и слабых кислот. Он включает в себя природный фиксированный и искусственно фиксированный калий.

Градация почв Республики Беларусь по содержанию подвижного калия приведена в табл. 8.

Таблица 8. Градация почв Республики Беларусь по содержанию подвижного калия (по Кирсанову)

Группы по содержанию К2О Содержание К2О, мг/кг почвы
минеральной торфяной
I (очень низкое) Менее 80 Менее 200
II (низкое) 81–140 201–400
III (среднее) 141–200 401–600
IV (повышенное) 201–300 601–1000
V (высокое) 301–400 1001–1300
VI (очень высокое, избыточное) Более 400 Более 1300

Природный фиксированный калий – это калий кристаллической решетки. Он удерживается в решетке глинистых минералов силами, обусловливающими соединение отрицательно заряженных алюмосиликатных пакетов в целостную структуру. Искусственно фиксированный калий – это калий, внедрившийся в межпакетные пространства кристаллической решетки, когда она была в растянутом состоянии, при применении удобрений из солевых растворов. Искусственно фиксированный калий растениями используется лучше, чем природный фиксированный.

  1. Калий, входящий в состав безводных силикатов, находящихся в составе минералов (алюмосиликатов – полевых шпатов и слюд). Этот калий находится в труднорастворимом состоянии.

Формы калия могут переходить друг в друга. Эти процессы можно выразить следующим образом:

Небольшое количество калия также входит в состав плазмы микроорганизмов (даже в хорошо окультуренных дерново-подзолистых почвах его содержание не превышает 25 кг/га и в связи с этим эта форма калия практического значения в питании растений не имеет).

Растения хорошо усваивают не только водорастворимый и обменный калий, но частично и необменный (на тяжелых почвах в большей степени, чем на легких). Запасы подвижного калия пополняются в результате выветривания минералов. С другой стороны, обменный калий в почве может переходить в необменное состояние. Существенным фактором снижения доступности внесенного калийного удобрения сельскохозяйственным культурам следует считать его необменную фиксацию, которая связана с вхождением ионов калия в межпакетное пространство кристаллов вместе с раствором при набухании минералов. Количество фиксированного калия может достигать в почвах легкого гранулометрического состава 200 кг/га, а в тяжелых – 500 кг/га.

На фиксацию калия почвами сильное влияние оказывает реакция среды (рН): подкисление ослабляет фиксацию, повышает подвижность калия в почве и доступность его растениям. Систематическое внесение калийных удобрений в дерново-подзолистые почвы, как показали многочисленные исследования, обогащает их подвижным калием лучше, чем черноземные, в которых калий накапливается преимущественно в необменной форме.

Кафедрой агрохимии в течение двух ротаций пятипольного севооборота на трех смоделированных уровнях по величине рН, содержанию подвижных форм фосфора и калия изучалось влияние удобрений на продуктивность севооборота и изменение агрохимических свойств в дерново-подзолистой легкосуглинистой почве (табл. 2.9).

Таблица 9. Влияние удобрений и уровней плодородия почвы на формы калия в почве, мг/кг (И. Р. Вильдфлуш)

Внесено в среднем на 1 га

по севообороту

рН в КСl К2О в 0,005 НСl

СаСl2

Обменный

калий в 0,2 М НСl

Необменный калий

в 10%-ном НСl

Фон I
1. Контроль 5,0 60 120 380
2. N54Р57К72 4,9 66 145 395
3. N75Р86К102 4,8 84 145 400
Фон II
1. Контроль 5,7 72 170 430
2. N54Р57К72 5,6 133 220 440
3. N75Р86К102 5,6 141 225 460
Фон III
1. Контроль 6,3 118 215 430
2. N54Р57К72 6,2 144 255 445
3. N75Р86К102 6,2 173 265 450

Примечание. Фон I – низкий уровень плодородия почвы, фон II – средний, фон III – высокий.

Исследования показали, что длительное применение калийных удобрений способствовало увеличению содержания в почве калия за счет обменных и необменных форм. Однако в большей мере в почве накапливался обменный калий.

Таким образом, вносимые калийные удобрения в дерновоподзолистых почвах сохраняются в основном в доступной для растений форме.

Важное условие эффективного применения калийных удобрений – хорошее обеспечение растений азотом и фосфором.

Средние прибавки урожая от калийных удобрений в неблагоприятные годы значительно выше. В частности, установлено, что пасмурная, прохладная и влажная погода ослабляет усвоение калия из почвенных запасов и делает более актуальным внесение удобрений.

Сбалансированное калийное питание способствует получению продукции высокого качества, более экономному расходованию влаги и таких элементов, как азот и фосфор на формирование единицы товарного урожая.

Систематическое применение органических и минеральных удобрений в дозах, обеспечивающих положительный баланс гумуса, фосфора, калия и других элементов, в сочетании с известкованием дерново-подзолистых почв обеспечивает расширенное воспроизводство их плодородия. Это приводит к увеличению содержания гумуса, подвижных форм фосфора, калия, оптимизации реакции почвы, улучшению агрофизических свойств почвы, оказывает положительное влияние на биологическую активность почвы.

3.4. Биологическая активность почвы

Уровень кислотности почвы определяет ее биологическое состояние. При слабокислом диапазоне рН в почвах преобладают бактерии и актиномицеты, повышается численность нитрификаторов, азотфиксаторов, целлюлозолитических микробных сообществ. В сильно- и слабокислых дерново-подзолистых почвах отмечается высокая численность плесневых грибов, многие виды которых синтезируют фитотоксические вещества.

Важным показателем экологического состояния почвы является ее ферментативная активность. Уровень почвенной кислотности – один из важнейших факторов, регулирующих активность почвенных ферментов. Концентрация ионов водорода Н+ оказывает влияние на ионное состояние ферментов, изменяя их ионизацию и растворимость.

Эти физико-химические факторы определяют скорость ключевых ферментативных реакций, протекающих в почве. При неблагоприятных изменениях кислотности почвы важнейшие ферменты, связанные с циклами основных биогенных элементов С, N, Р, частично денатурируют, что приводит к нарушению круговорота элементов питания и процессов трансформации органического вещества и формированию гумуса.

Биологические свойства – продуцирование СО2 и потенциальная азотфиксация (активность нитрогеназы), определяемые газохроматографическими методами, тесно зависят как от содержания гумуса, так и от других агрохимических свойств почв. Установлена достоверная связь биологических тестов с урожаями основных сельскохозяйственных культур. По-видимому, в условиях усиливающегося техногенного загрязнения почв роль биологических характеристик будет возрастать в оценке «здоровья» почв.

На дерново-подзолистых кислых почвах существенное влияние на активность биологических процессов оказывает известкование, которое оптимизирует реакцию почв, улучшает условия жизни микроорганизмов в почве, что усиливает процессы минерализации органического вещества.

Положительное влияние на биологическую активность почвы оказывает навоз и другие органические удобрения в сочетании с минеральными и известкованием. Минеральные удобрения без извести оказывают слабое влияние на ферментативную активность, а в сочетании с известкованием повышают ее.

4. Оптимизация плодородия почвы

Расширенное воспроизводство плодородия почв и на этой основе рост урожайности сельскохозяйственных культур должны идти путем оптимизации комплекса свойств почв, включая физико-химические, биологические и др. Состояние почв, степень их соответствия требованиям культурных растений для формирования высоких урожаев оценивается степенью окультуренности почвы.

Для оценки степени окультуренности почв в Республике Беларусь используются показатели, контролируемые агрохимической службой: уровень кислотности (рН); содержание гумуса, подвижных форм фосфора и калия. Установлены оптимальные параметры этих показателей для основных типов почв республики, соответствующие высшей степени окультуренности почв.

Анализ результатов полевых опытов с удобрениями, проведенных научными учреждениями и агрохимической службой республики, показал, что контролируемые агрохимические свойства дерновоподзолистых почв на 58–77 % определяют уровень урожайности зерновых культур на фоне полного минерального удобрения и на 20– 50 % – величину прибавок урожая от азотных, фосфорных и калийных удобрений.

Существующие градации диагностических признаков степени окультуренности почв нуждаются в периодическом уточнении в полевых экспериментах по мере введения в практику новых сортов и элементов технологий возделывания сельскохозяйственных культур.

В диапазоне от минимальных до оптимальных значений каждого показателя установлена достоверная корреляция с величиной урожая сельскохозяйственных культур и определено его изменение на единицу измерения агрохимических свойств. Например, установлено, что прирост урожая по мере повышения содержания фосфора, калия и гумуса в почве постепенно снижается. Так, на дерново-подзолистых суглинистых и супесчаных, подстилаемых мореной почвах на каждые 10 мг/кг Р2О5 в диапазоне 30–100 мг/кг продуктивность изучавшихся культур повышалась на 132 к. ед. на 1 га, в интервале 101–150 мг/кг Р2О5 прирост составлял 108 к. ед. на 1 га, 151–200 мг/кг Р2О5 – 101 к. ед., 200–250 мг/кг Р2О5 – 68 к. ед. на 1 га.

Аналогично меняется прирост продуктивности культур при повышении содержания калия в 1 кг почвы в расчете на каждые 10 мг К2О. На суглинистых почвах при содержании К2О в диапазоне от 30 до 80 мг урожайность с 1 га повышалась на 122 к. ед.; 81–140 мг – на 98 к. ед.; 141–200 мг – на 70 к. ед. Продуктивность тех же культур по мере увеличения содержания гумуса на 0,1 % в диапазоне 1–2 % повышалась на 90 к. ед. с 1 га, а при дальнейшем повышении запасов гумуса – только на 25 к. ед.

Для количественной оценки плодородия почв Беларуси используется также комплексный показатель – индекс агрохимической окультуренности почв, где каждый из показателей (рН, содержание Р2О5, К2О, гумуса) выражен в относительных величинах, а за единицу приняты средние оптимальные значения этих свойств почв. Относительные индексы (Иотн) каждого свойства рассчитываются по формуле

где Хфакт – фактическое значение свойства по данным анализа; Хмин, Хопт – соответственно минимальное и оптимальное значения показателей для данной почвы.

Для использования на практике установлены следующие минимальные агрохимические показатели минеральных почв: рН (КСl) – 3,5; по 20 мг/кг почвы Р2О5 и К2О (по Кирсанову); 0,5 % гумуса. Для торфяных почв минимальный показатель содержания Р2О5 и К2О – 100 мг/кг почвы.

Если фактический показатель больше оптимального, то условно Иотн этого свойства принимается равным 1. После определения относительных индексов всех показателей рассчитывается индекс окультуренности (Иок) как среднее арифметическое относительных индексов:

Индекс окультуренности почв может изменяться в большом диапазоне – от 0,2 до 1. Этот показатель удобен в расчетах и позволяет объективно сравнивать степень окультуренности почв.

По результатам 405 полевых опытов в Республике Беларусь повышение индекса окультуренности почв с 0,3 до 0,9 сопровождалось увеличением урожайности зерновых культур с 21–24 до 37–41 ц/га, картофеля – с 214 до 307 ц/га, т. е. продуктивность 1 га пашни повышалась с 32,8 до 53,7 к. ед.

Оценка почв в баллах может понижаться до 50 % при изменении индекса окультуренности почв от 1 до 0,2, для чего используются экспериментально установленные понижающие коэффициенты.

По степени окультуренности почвы принято делить на четыре группы:

  • с очень низкой степенью окультуренности (Иок < 0,4);
  • низкой (0,41–0,6);
  • среднеокультуренные (0,61–0,8);
  • высокоокультуренные (0,81–1,0) почвы.

Низкий уровень естественного плодородия сельхозугодий, пестрота агрохимических свойств почв, неравномерные темпы окультуривания их по регионам делают необходимым целенаправленное управление повышением плодородия почв на основе моделирования. Оценка окультуренности почв по четырем показателям является лишь начальным этапом моделирования почвенного плодородия. По мере включения новых учитываемых свойств (содержание азота, микроэлементов, мощность перегнойного горизонта и др.) разрабатываются более сложные структурные модели.

С учетом особенности периода перехода к рыночной экономике, дефицита энергетических ресурсов, непростой экологической ситуации в республике, осложненной радиоактивным загрязнением почв, разработка моделей высокоплодородных почв в последние годы велась на основе концепции регулируемого (экологически и экономически обоснованного) повышения плодородия почв. Главные положения этой концепции:

  • повышение плодородия почв на основе расширенного возврата органического вещества, макро- и микроэлементов на полях, где их содержание ниже оптимального уровня;
  • поддержание уровня плодородия почв с оптимальными свойствами;
  • ограничение применения удобрений на полях с избыточным содержанием элементов питания растений.

Система удобрений устанавливает дозы удобрений с учетом комплекса свойств почв, биологических особенностей возделываемой культуры и предшественников, исходя из получения не максимальной, а рациональной, экологически и экономически обоснованной урожайности, которая обычно находится на уровне 90–95 % от максимально возможной.

Параметры плодородия регулируются на основе автоматизированной системы управления, включающей банк данных земельных ресурсов по результатам периодических почвенногеоботанических (через 15 лет) и агрохимических (через 4–5 лет) обследований сельхозугодий, комплекса производственных задач по земельному кадастру и применению средств химизации, контурноэкологическим севооборотам и др.

Состав почвенного покрова пахотных земель Беларуси характеризуется значительным разнообразием, обусловленным типовыми различиями, степенью увлажнения, гранулометрическим составом почвообразующих пород, различной степенью его антропогенного преобразования.

Типовая принадлежность почв в Беларуси существенно сказывается на их плодородии. В составе пахотных земель преобладают автоморфные дерново-подзолистые почвы (47,1 %). Наибольшую площадь они занимают в Гродненской (65,5 %), Могилевской (55,2 %) и Минской (51,6 %). Значительно меньше они распространены в Витебской (33,8 %) и Брестской (32,9 %) областях, где соответственно увеличивается доля дерново-подзолистых заболачиваемых почв.

Дерново-подзолистые заболачиваемые почвы занимают второе место в составе пахотных земель республики (40,5 %). Преобладают они в Витебской области – 63,2 %, а на остальной территории их доля колеблется в пределах 30–40 %.

Доля дерновых заболачиваемых почв составляет 5,4 % площади пахотных земель. Максимальное распространение они получили в Брестской области (19,9 %), в Гомельской области они занимают 6,8 %, в Минской – 4,3 % пахотных земель. В Витебской (0,8 %) и Могилевской (0,9 %) областях их распространение минимальное.

Торфяные почвы в составе пахотных земель занимают 4,8 %. Наибольшие их площади характерны для Брестской (10,9 %), Гомельской (8,1 %) и Минской (7,6 %) областей и практически отсутствуют в Гродненской (0,3 %) и Могилевской (0,6 %).

В последние годы в республике наблюдается увеличение площадей антропогенно-преобразованных почв, которые занимают в настоящее время 1,7 % пахотных земель. Среди них преобладают дегроторфоземы (около 80 % от общей площади антропогенно-преобразованных почв). Наибольшие площади их сконцентрированы в Брестской (3,5 %), Гомельской (3 %) и Минской (2,2 %) областях.

Аллювиальные дерновые заболачиваемые и дерново-карбонатные почвы в составе пахотных земель занимают небольшие площади (соответственно 0,5 и 0,1 %) и, хотя и являются плодородными, существенного влияния на развитие растениеводства в республике не оказывают.

Степень увлажнения также является одним из важнейших факторов, определяющих качество почв пахотных земель. В зависимости от увлажнения почвы республики подразделяются на автоморфные (почвы нормального увлажнения), полугидроморфные (минеральные заболоченные) и гидроморфные (болотные).

В целом по республике в составе пахотных земель автоморфные почвы занимают 47,1 %, полугидроморфные – 46,6 %, гидроморфные – 6,3 %. Полугидроморфные почвы, в свою очередь, подразделяются на слабоглееватые (временно избыточно увлажняемые, 27,7 %), глееватые (15,5 %) и глеевые (3,4 %). Удельный вес полугидроморфных и гидроморфных почв в составе пахотных земель по республике составляет 52,9 %.

Качественное состояние почв в значительной мере определяется гранулометрическим составом почвообразующих и подстилающих пород.

Уровень плодородия дерново-подзолистых почв обусловливается гранулометрическим составом, водным режимом и агрохимическими свойствами, прежде всего содержанием гумуса, элементов питания и степенью кислотности. Более плодородные почвы – глинистые, суглинистые, окультуренные торфяники, а также супесчаные, подстилаемые суглинками. На эти почвы в Беларуси приходится 56,4 % пашни.

Почвы республики очень пестры по гранулометрическому составу, что связано с разнообразием почвообразующих пород. Гранулометрический состав почвы определяют ее водный и питательный режимы. Супесчаные почвы характеризуются менее устойчивым водным режимом в сравнении с суглинками, но в случаях близкого подстилания суглинками по своим свойствам приближаются к последним. Песчаные почвы отличаются очень малой влагоемкостью и, как правило, бедны питательными элементами.

Научно обоснованное применение минеральных, органических и известковых удобрений, соблюдение всех звеньев технологий возделывания сельскохозяйственных культур являются основными условиями, позволяющими целенаправленно осуществлять воспроизводство плодородия почв. Агрохимические свойства почв находятся в зависимости от уровня применения удобрений, но и сами влияют на эффективность удобрений.

Для получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур, продукции хорошего качества, обеспечения экологической безопасности окружающей среды необходимо поддержание оптимального содержания макро- и микроэлементов в почве. Высокоплодородные почвы лучше противостоят механическим и техногенным нагрузкам, снижают негативное действие токсических веществ. Исследования, проведенные в Республике Беларусь и других странах, показали устойчивую количественную зависимость урожая сельскохозяйственных культур от агрохимических свойств почв. Наибольший практический интерес представляют показатели, систематически определяемые агрохимической службой на каждом поле один раз в четыре года: степень кислотности (рН в KCl), содержание гумуса, обменного магния, подвижных форм фосфора, калия и микроэлементов. Агрохимические показатели являются важной составляющей общей оценки потенциального плодородия почв. В условиях интенсивного использования земель происходит существенное изменение свойств почв даже в течение небольшого временного периода.

Состояние агрохимических свойств почв наиболее объективно отражает характер ведения сельскохозяйственного производства. Рациональное применение минеральных и органических удобрений, соблюдение всех звеньев технологий возделывания сельскохозяйственных культур являются основными факторами, позволяющими целенаправленно воздействовать на процесс воспроизводства плодородия почв. Планирование объемов работ и осуществление почвоулучшающих мероприятий проводится из расчета достижения и поддержания оптимальных параметров основных агрохимических свойств почв (табл. 10), при которых обеспечиваются высокие уровни урожаев сельскохозяйственных культур и окупаемость удобрений, а также приемлемый уровень экологической безопасности.

Таблица 10. Интервалы оптимальных параметров агрохимических свойств почв Беларуси

Земли Почвы Оптимальные параметры
рН Р2О5, мг/кг К2О, мг/кг Гумус, %
Пахотные Глинистые и тяжелосуглинистые 6,2–6,8 300–350 250–300 2,8–3,2
Средне- и легкосуглинистые 6,0–6,7 300–350 200–300 2,6–3,0
Связносупесчаные 5,8–6,5 250–300 190–250 2,4–2,8
Рыхлосупесчаные 5,5–6,2 200–250 170–230 2,2–2,6
Песчаные 5,5–5,8 150–230 120–200 2,0–2,4
Пахотные и

луговые

Торфяные 5,0–5,3 600–1000 400–800
Луговые Минеральные 5,8–6,2 120–200 150–200 3,5–4,0

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *