Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

КАЛИЙ В ПОЧВАХ АГРОЦЕНОЗОВ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

ВАК РФ 06.01.04, Агрохимия

Автореферат диссертации по теме "КАЛИЙ В ПОЧВАХ АГРОЦЕНОЗОВ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ"

Я-2 ЪШ

На правах

Якименко Владимир Николаевич

Калий в почвах агроценозов Западной Сибири 06.01.04 - агрохимия

I1

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Новосибирск - 2004

Работа выполнена в Институте почвоведения и агрохимии СО РАН

Научный консультант:

доктор биологических наук, старший научный сотрудник Назарюк Владимир Митрофанович

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Хмелев Владимир Алексеевич доктор биологических наук, профессор Убугунов Леонид Лазаревич доктор биологических наук, профессор Чупрова Валентина Владимировна

Ведущая организация: Сибирский научно-исследовательский институт земледелия и химизации сельского хозяйства СО РАСХН (СнбНИИЗХим)

Защита состоится 20 апреля 2004 г. в 10 час. на заседании диссертационного совета Д003.013.01 при Институте почвоведения и агрохимии СО РАН по адресу: 630099, Новосибирск, ул. Советская 18, Институт почвоведения и агрохимии СО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института почвоведения и агрохимии СО РАН.

Автореферат разослан

2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, „

доктор биологических наук QuCpii "" Артамонова B.C.

Актуальность проблемы

Калий (К) является одним из важнейших элементов минерального питания растений и показателей почвенного плодородия. Тем не менее, в связи с относительно высокими запасами валового К в зональных почвах Западной Сибири и неустойчивой отзывчивостью культур на калийные удобрения, в проводимых, как правило, краткосрочных опытах, калию традиционно уделялось мало внимания при изучении значимости основных элементов-биофилов в агроэкосистемах. Однако недооценка роли калия в эффективном функционировании агрозкосистем может явиться причиной деградации почвенного плодородия и существенного снижения интенсивности продукционного процесса растений. Поэтому установление потенциальных почвенных запасов доступного растениям калия, их прогнозная оценка, определение влияния баланса калия на продуктивность агроценоза и калийный фонд почв является актуальной задачей.

Оптимизация режима К в агроэкосистемах осложнена несовершенством существующей системы почвенной калийной диагностики. Выбор надежных показателей и разработка на ах основе градаций обеспеченности почв калием имеет важное значение. Сложность диагностики калийного состояния почв агроценозов обусловлена перманентными процессами превращений форм почвенного К. Эффективное регулирование калийного режима почв возможно только при учете специфики и закономерностей почвенных процессов трансформации форм К, необходимость изучения которых ие вызывает сомнения. При этом выявление особенностей распределения запасов калия по гранулометрическим фракциям зональных почв, определение роли различных почвенных частиц в снабжении растений калием и в функционировании почвенного калийного режима в агроценозе позволяет полнее оценить плодородие почвы в отношении этого элемента.

Обозначенные выше вопросы калийной проблематики для почвенно-клнматических условий Западной Сибири изучены явно недостаточно, что обусловливает очевидную необходимость их комплексного исследования.

Цель и задачи исследований

Цель исследований заключалась в изучении калийного фонда почв агроценозов Западной Сибири и разработке путей его рационального использования.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- выяснить эффективность калийных удобрений на зональных почвах;

- изучить баланс калия в различных агроценозах и его влияние на калийный фонд почв;

- установить критерии и разработать градации обеспеченности почв калием, дать прогнозную оценку почвенным калийным запасам;

- исследовать характер и специфику процессов трансформации форм калия в почвах агроценозов;

- оценить значение рр^ткчнш гггнут"1"*трич^ггРл' почвенных фракций

для калийного режим£ и статусщяадмеХА

■фонд научной литештуры

Научная новизна

В работе обосновывается и развивается концепция регулирования калийного режима в агроценозе на базе данных о почвенных запасах К, механизме и направленности их трансформации, особенностях минерального питания различных растений, что обеспечивает сохранение плодородия почв и оптимизацию продукционного процесса выращиваемых культур.

Впервые в условиях Западной Сибири в многолетних стационарных опытах изучена специфика потребления К культурами и характер их отзывчивости на внесение удобрений; рассчитан баланс К в агроцеяозах при различных уровнях калийного питания возделываемых растений; определены изменения запасов К в пахотных почвах и дана их прогнозная оценка в зависимости от степени калийной нагрузки на агроценоз; разработана система комплексной диагностики калийного состояния почв.

В почвах региона впервые установлены соотношения между формами К и особенности их изменения в агроценозе; выявлена роль процессов трансформации форм К в стабилизации почвенного калийного режима; исследованы калийфиксирующие, десорбционные и восстановительные способности почв в агроэкосистемах; определены значение отдельных почвенных гранулометрических фракций для калийного статуса пахотных почв и степень участия фракций в процессах накопления и мобилизации калия.

Защищаемые положения

]. Соотношение между формами калия в почвах слабо зависит от их типовой гфкнадлежности и гранулометрического состава и определяется степенью калийной нагрузки на агроценоз, отражая направленность процессов трансформации форм калия в почве и ее текущее калийное состояние.

2. Процессы фиксации-десорбции выполняют основную регуляторную роль в обеспечении равновесного состояния между формами калия в почвах и снабжении растений этим элементом.

3, Гранулометрические фракции почв, составляющие физическую глину, играют активную роль в процессах аккумуляции и мобилизации калия; от степени участия фракций в обеспечении растении этим элементом зависит калийный статус почвы.

Реализация результатов работци практическая значимость

Полученные материалы являются научной основой для осуществления комплекса мероприятий по оптимизации калийного режима в агроценозах при рациональном использовании почвенных запасов калия и вносимых удобрений с целью повышения продуктивности выращиваемых культур и сохранения плодородия почв. Проведенная прогнозная оценка калийных запасов зональных почв позволяет установить ориентировочные пределы снабжения культур агроценозов почвенных калием, обеспечивающие определенный уровень урожайности, что дает возможность планировать потребности в калийных удобрениях. Предлагаемая, система комплексной оценки калийного состояния почв и разработанные градации обеспеченности культур почвенным К могут быть использованы производственными

агрохимическими учреждениями для мониторинга плодородия пахотных почв и составления соответствующих картограмм.

Результаты исследований доведены до широкого круга специалистов путем публикаций и докладов; используются в учебном процессе по специальности «агрохимия и почвоведение». ' ''"*

Апробация работы ,

Полученные материалы представлялись и докладывались на симпозиуме «Калий в современном земледелии» (Барнаул, АНИИЗиС, 1990); Всероссийских и Международных научно-практических конференциях: «Антропогенная деградация почвенного полова и меры ее предупреждения» (Москва, Почвенный институт им. В.В.Докучаева, 199В), «Современные проблемы почвоведения в Сибири» (Томск, ТГУ, 2000), «Экояого-агрохимическая оценка состояния калийного режима почв и эффективность калийных удобрений» (Москва, ЦИНАО, 2001), «Геоэкологические проблемы почвоведения и оценки земель» (Томск, ТГУ, 2002; Барнаул, АГАУ> 20031; Сибирском почвенно-агрохимическом семинаре (Новосибирск, ИПА СО РАН, 2001; 2003).

Личный вклад автора

Автором осуществлялась постановка проблемы и методическая разработка путей оптимизации калийного состояния почв агроценозов Западной Сибири, закладка и проведение всех опытов, обработка и обобщение полученных экспериментальных данных, публикация результатов.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 26 работ, в том числе 11 в научных рецензируемых изданиях.

Объем и структур3 диссертации

Работа состоит из введения, 8 глав, заключения и выводов, общим объемом 306 страниц машинописного текста, включая 20 рисунков и 56 таблиц; список литературы содержит 278 наименований.

Глава 1. Объекты н методы исследования

Экспериментальные исследования проводились в 1988-2002 гг. на научной станции ИПА СО РАН, расположенной в Искитимском районе Новосибирской области, и включали в себя многолетние стационарные полевые и вегетационные, а также лабораторные опыты, при закладке которых использовались целинные зональные почвы. В качестве объектов исследования были взяты почвы, существенно различающиеся по обеспеченности калием: слабо- (дер но во-подзолистая супесчаная), средне- (серая лесная среднесу глинистая) и высокообеспеченная (чернозем.выщелоченный тяже-лосуглин истый).

Изучение калийного фонда почв в условиях агроценозов осуществлялось при выращивании зерновых и овощных культур (в соответствующих четырехпольных севооборотах), а также картофеля. Все опыты проводились по одинаковой схеме: вариант 0 - без растений и удобрений (непре-

рывный пар); 1 - без удобрений; 2 - NP (азотные н фосфорные удобрения применяли из расчета 100 % компенсации выноса элементов планируемым урожаем выращиваемой культуры); 3 - NP + К в дозе 25 % от выноса планируемым урожаем ; 4-NP + К, 50 5 - NP + К, 75 %; 6 - NP + К, 100%; 7 -NP + K, 125 У». В зерновом севообороте варианты 4 и 6 отсутствовали. Удобрения в форме Naa, Ред, Кх вносили ежегодно весной перед посевом семян или высадкой рассады.

Образцы почв, отобранные из различных вариантов проводимых опытов, использовали в лабораторных экспериментах по изучению калийфик-сирующей и десорбционной почвенной способности, определению содержания форм калия в гранулометрических фракциях. Проведение всех опытов осуществлялось по общепринятым методикам [Журбицкий, ] 968; Доспехов, 1985], Подготовка почвенных и растительных образцов, их анализ проводились по стандартным методам [Качинский, 1958; Горбунов* 1963; Аринушкина, 1970; Агрохимические методы 1975; Важенин, 1975; Крищенко, 1983].

Глава 2. Краткая характеристика калийного состояния зональных почв Западной Свбири

Обзор литературных материалов свидетельствует, что основу пахотного фонда Западной Сибири составляют зональные почвы - дерново-подзолистые, серые лесные и черноземы выщелоченные и оподзоленные, большинство из которых относится к суглинистым разновидностям, с преобладанием э гранулометрическом составе пылеватых фракций [Панфилов и др., 1976; и др.]; основными почвообразукшшмя породами являются покровные лессовидные суглинки [Волков и др., 1969; и др.]. В минералогическом составе почв среди первичных минералов значительное место занимают калиевые полевые шпаты, а также слюды; из вторичных глинистых минералов преобладает гндрослюда [Шоба, 1972; Середина, 1984; и др.].

Количество валового калия в различных автоморфных почвах примерно одинаково. В южнотаежной, подтаежной подзонах и в северной части лесостепи оно колеблется в интервале 1.5-2.0 %, а в подстилающих породах — 1.6-1.9 %, что подтверждает их генетическую близость [Гаджиев, 1982; Середина, 1984]. В центральной части лесостепной зоны почвы содержат от 1.5-2Л % [Хмелев, 1989; Якименко, 2003; и др.] до 2.3 % [Гамзиков и др., 1989] валового калия. В почвах южной лесостепи и на севере степной зоны содержание общего калия в горизонте А и Аяах, составляет 1.9-2.4 % [Бур-лакова, 1984; Пивоварова, 1990]. Содержание подвижных форм калия в зональных почвах региона не всегда пропорционально общим запасам и зависит от степени проявления и направленности почвообразовательных процессов и гранулометрического состава почв.

В целом, исследования содержания форм калия в почвах агроэкосистем Западной Сибири весьма немногочисленны, что обусловливает необхоли-

моста установления масштабов и пределов использования почвенного калия в агроценозах, обеспечивающих оптимальное питание растений.

Глава 3. Опыт применения калийных удобрений в земледелии региона

Незначительное, в целом, число работ в Западной Сибири, посвященных калийной проблематике, и неоправданно низкий уровень использования калийных удобрений в земледелии региона связаны со сформировавшимся мнением о высоких {почти неисчерпаемых) запасах почвенного К и, соответственно, слабой эффективности его дополнительного внесения. Анализ литературных источников, в которых оценивалась эффективность вносимого К, показал, что. большинство проведенных опытов были краткосрочными (до 3-4 лет), чаще всего выращивалась яровая пшеница, фоновые дозы удобрений и урожайность культур во многих опытах были невысокими. Зачастую при вносимых дозах 1ЧР в 90-120 кг/га норма калия составляла 15-30 кг. Сделанные в таких условиях выводы о нецелесообразности использования калийных удобрений являются, вполне очевидно, недостаточно обоснованными. Вместе с тем, имеющиеся данные указывают на ожидаемый рост эффективности К по мере удовлетворения потребности культур в N и Р, повышения общего уровня урожайности и, как следствие, увеличения масштабов отчуждения почвенного калия [Якименко, 2003]. Поэтому необходимость проведения мониторинговых исследований ка-. ли иного состояния почв агроценозов не вызывает сомнений.

Глава 4. Эффективность калия в интенсивных лгроценозах я факторы ее определяющие

Результаты проведенных исследований [Якименко, 2003] и анализ литературных данных [Минеев, 1999; Пропотев, Дерюгин, 2000; и др.] показали, что эффективность калийных удобрений в агроценозе значительно варьирует в зависимости от ряда факторов: почвенных свойств, погодных условий, интенсивности использования участка, выращиваемой культуры.

Важное значение дня проявления эффекта от вносимых калийных удобрений имеют почвенные запасы доступного для растений К. Так, на дерново-подзолистой почве внесение К на фоне №> обеспечивало прибавку урожая уже в первый год использования почвы, а на черноземе выщелоченном эффект от калийных удобрений начинал отмечаться только через несколько лет. С запасами наиболее подвижных форм К в почвах связана и общая закономерность возрастания эффективности действия калийных удобрений во времени (рис. 1 и 2). Интенсивное и длительное выращивание растений ведет к существенному истошению почвенных запасов К и потребность в его дополнительном внесении становится очевидной.

Различные сельскохозяйственные культуры обладают неодинаковой способностью к использованию имеющегося калийного фонда. Зерновые культуры хорошо используют К почвы и, поэтому, отзываются, прежде всего, на >1Р удобрение; Существенную, положительную реакцию на внесение К они проявляют, главным образом, в стрессовые (неблагоприятные

погодные условия, повреждение посевов вредителями) годы; тем не менее, по мере уменьшения почвенных запасов этого элемента отзывчивость зерновых культур на калий устойчиво возрастает (см. рис. 1).

Томат и капуста, обладая мощной корневой системой, также могут в значительной степени удовлетворять свои потребности в К за счет его сравнительно малодоступных почвенных запасов — ИР удобрение повышает урожайность этих культур даже при сильнодефицнтном калийном балансе.

¡ИБаз удобрений ИКР ИНРК] '

1-я

2-я

3-я

Рис. 1. Относительная урожайность пшеницы по ротациям севооборота на серой лесной почве.

4-я Ротапяи севооборота

Способности лука, моркови, картофеля использовать почвенные запасы К, особенно при истощении его л егкоподвижных форм, весьма ограничены. Прй" сильнодефицнтном балансе К эти культуры не только не'реагируют на КР удобрение, но и зачастую снижают урожай при егй «¿пользовании (см. рис.. 2);.внесение в этом случае даже небольших доз К резко повышает продуктивность растений, ярко демонстрируя проявление синергизма.

Рис. 2. Относительная урожайность моркови по ротациям севооборота на серой лесной почве.

Ротации севооборота

В наших исследованиях калийные удобрения оказали положительное действие на продуктивность всех возделываемых культур (табл. 1) на всех изученных почвах, при этом своеобразие характера отзывчивости конкретной культуры на уровень калийного питания было примерна одинаковым при ее выращивании в ряде опытов на различных почвах [Якименко,-1995].

При использовании калийных удобрений отмечалось улучшение качества овощной продукции; содержание нитратов в овощах снижалось при

дополнительном внесении кадия [Пути снижения..., 1989; Нитраты..., 1991]. Поражаемость овощных культур болезнями (пероноспорозом, бактериальной пятнистостью листьев) и вредителями (луковой мухой) в вариантах с повышенными дозами калия была заметно меньше, чем на участках, где калийные удобрения не применялись.

Таблица 1. Средняя урожайность культур за три ротации севооборотов в полевом опыте на серой лесной почве, т/га

■ Вариант Севооборот

зерновой овощной

э 3 ? е о> о пшеница 2-го года ячмень овсяно-гороховая смесь | | капуста томат 1 | 1 -в з. « я. в> - -о - Г £

Без удобрений 2,8 2,4 3,5 2Г ..85" "35 ' 17- 60

ИР 3,1 2,7 4,0 24 106 49 18 57

НРК25% 3,3 2,8 4,2 25 111 54 20 69

»РК50% - - - 113 56 21 72

КРК75% 3,3 2,9 4,5 26 116 57 22 74

НРКюОУ« - - - - 117 60 20 77

КРК125% 3,4 3,1 4,5 27 122 62 20 78

Анализ опытных данных показал, что наиболее рациональное питание растений происходит при использовании доз калийных удобрений, примерно на 75 % компенсирующих вынос калия с урожаем (при средней обеспеченности почвы калием). Эта величина может сдвигаться в ту или иную сторону в зависимости от свойств почв и выращиваемой культуры, при этом дозы удобрения, обеспечивающие наивысшее качество продукции, как правило, ниже, чем дозы, позволяющие получить максимальный урожай, В любом случае достаточная обеспеченность почвы калием является обязательным условием высокой продуктивности культур и своего рода «страховым полисом», определенной гарантией агроценоза от целого комплекса неблагоприятных внешних факторов.

Глава 5. Вынос и баланс калня в агронеяозах

Полученные экспериментальные материалы и обобщенные литературные данные показывают, что потребление калия культурами и его баланс в агроценозе зависят, прежде всего, от уровня минерального питания, биологических особенностей растений, условий их выращивания и уборки (рис. 3).

Вынос К растениями на неудобрявшейся почве определяется почвенными запасами этого элемента (рис. 4), Так, дерново-подзолистая почва могла обеспечить вынос К за ротацию севооборота в 8 мг, а чернозем вы-

щелоченный - 28 мг/100 г почвы. При использовании же калийных удобрений (на фоне ЫР) потребление К зависело, в основном, от количества дополнительно внесенного элемента - вынос К в вариантах с компенсирующими дозами удобрений был примерно одинаков на почвах с разным естественным плодородием. Одностороннее внесение ЫР удобрений при сильнодефицитном калийном балансе не увеличивало вынос калия из почвы.

Потребность растений в К

Корвет

поглотительная

способность

Склонность х избыточному потреблению

СОДЕРЖАНИЕ КАЛИЯ В ПОЧВЕ

п —

ж

ОБЕСПЕЧЕННОСТЬ АЗОТОМ И ФОСФОРОМ

Рис. 3. Блок-схема факторов, определяющих вынос и баланс калия.

Использование возрастающих доз калийных удобрений приводит к увеличению выноса К всеми изучавшимися культурами, однако характер и эффективность этого увеличения зависят от биологических особенностей выращиваемых растений. У одних культур (например, капусты) повышение доз калийных удобрений (в изучавшихся пределах) и выноса калия происходит параллельно с ростом их урожайности; у других (лук, морковь) - при более чем двукратном увеличении выноса калия в вариантах с повышенными его дозами урожайность уже не растет, а, зачастую, и снижается.

Содержание К в выращиваемых культурах (товарная продукция) в зависимости от уровня калийного питания колебалось в пределах (% от сухого вещества): в капусте - 2.0-2.5; томате — 3.0-3.6; луке - 0.7-3.1; моркови - 0.8-2.1; картофеле - 1.0-1.9. Сопоставляя эти данные с отзывчивостью растений на уровень минерального питания (потребление, урожайность),

можно утверждать, что эффективность использования калия различными культурами определяется естественным (без избыточного накопления)! уровнем содержания в них-К (потребностью в нем), т.е. чем больше калия необходимо растению для создания единицы биомассы, тем выше эффективность использования им калийного фонда.

Рис. 4. Вынос калия за ротацию овощного севооборота в зависимости от свойств почв и уровня калийного питания.

Эффективность калийного питания зависит не только от содержания этого элемента в растительных тканях, но и от его соотношения с другими питательными элементами и, в первую очередь, азотом. О важности сбалансированности минерального питания растений ранее сообщалось в печати [ЖурбицкиЙ, 1963; Церлинг, 1978; Ермохин, 1995; и др.]. По нашим многолетним данным хорошее физиологическое состояние культур н их высокая урожайность отмечались при следующих показателях в период уборки [соответственно: содержание К (в % от сухого вещества) и отноше-, ние №К]: капуста — кочан - 2.1 и 1:1, наружные листья — 1.5 и 1.5:1; томат - плоды - 3.4 и 0.8:1, ботва - 1.2 и 2:1; лук - 0.9 и 1.5:1; морковь - корнеплод- 1.4 и 1:1, листья - 1.5 и 1.5:1; картофель — клубни - 1.5 и 1.1:1, ботва - 13 и 1,5:1; пшеница - зерно - 0.6 и 4:1, солома — 1.5 и 1:2; ячмень -зерно-0.5 и 5:1, солома 1.5 и 1:1.5 [Якименко, 2003].

Следует отметить, что культуры, хорошо мобилизующие К почвы, обладают и высокой адаптационной способностью к колебаниям уровня минерального питания — концентрация К в фитомассе, а также соотношение в ней №К у этих растений довольно стабильно. Содержание К в культурах со слаборазвитой корневой системой „в очень большой степени зависит от обеспеченности почвы калием и может отличаться на порядок; соответственно меняется и отношение М:К в биомассе.

Концентрация К в фитомассе всех культур максимальна на ранних стадиях онтогенеза; ко времени созревания и уборки она постепеннй сни-

жается в 2-4 раза. Именно в начале вегетации чаще всего наблюдаются существенные различия в содержании К в биомассе при изменении уровня калийного питания, впоследствии отражающиеся на итоговой урожайности. Снижение содержания К в растениях в течение вегетации происходит независимо от степени калийной обеспеченности почвы. Очевидно, что функциональная роль К наиболее значима в молодом, растущем организме.

Достаточная обеспеченность растений калием, кроме ранних этапов онтогенеза, важна и в период максимального нарастания биомассы — от бездефицитного снабжения калием культур в это время во многом зависит величина их будущего урожая. Так, в период кущения-цветения пшеница поглощала до 3-4 кг К на гектар в сутки, капуста во время нарастания кочанов - 2-3.5 кг/га. Однако если у пшеницы период максимального потребления калия составляет 3-4 недели, то у капусты - более 2-х месяцев.

Несмотря на уменьшение концентрации К в растениях к периоду их уборки, среднегодовой вынос этого элемента с урожаем составлял 110-320 кг/га за счет почвенных запасов н до 300 кг/га - при внесении калийных удобрений. При _ сбалансированных высоких дозах КРК вынос калия капустой достигал 500 кг/га, томатом - 220, морковью и картофелем - 300, ячменем - 400, пшеницей - до 200 кг К/га.

Удельное потребление К культурами при сбалансированном питании составляло (в кг К на 1 т основной продукции с учетом соответствующего количества побочной): капуста — 2,4-2,5, томат — 2.8-3.0, морковь — 2;0-2.2, лук - 1.2-1.4, картофель — 3.8-4.0, пшеница и ячмень - по 38. В общем выносе К на долю основной продукции приходилось (%): капуста и томат -около 70, морковь-75, картофель-80, пшеница и ячмень-примерно 15.

■ На величину выноса и баланс К в агроиенозах существенное влияние оказывают сроки уборки, структура урожая и судьба побочной продукции. Как правило, чем раньше убрана с поля выращиваемая культура, тем больше К содержится в побочной продукции и меньше - в основной, а от уровня агротехники зависит структура полученного урожая. Баланс К во многом определяется судьбой побочной продукции; в зависимости от того, остаются растительные остатки на поле (измельчаются при уборке и запахиваются) или вывозятся, расчетный баланс К и, следовательно, вносимые дозы калийных удобрений могут быть существенно скорректированы."

Баланс К в опытах определялся не только содержанием этого элемента в отчуждаемой с поля продукции и вносимыми дозами удобрений, но и свойствами используемой почвы (табл. 2). На почвах, бедных калием (дерново-подзолистая) или среднеобеспеченных им (серая лесная), расчетные, близкие к компенсационным (75, 100 и 125 % от планируемого выноса), дозы удобрения обеспечивали нулевой или положительный баланс. Сравнительно ограниченные запасы легкодоступного растениям К в этих почвах не допускали возможности избыточного его потребления; поступающий с удобрениями К эффективно использовался на формирование растительной продукции. При высокой обеспеченности почвы (чернозем)

калием бездефицитный баланс этого элемента не достигался ни при каких, используемых в опытах, дозах калийных удобрений, т.е. при повышенном содержании К в почве отмечался его значительный неэффективный расход.

Таблица 2. Среднегодовой баланс калия в длительных опытах с овощными культурами, мг К/100 г почвы

Почва Без удобрений CL. Z о4 VI £ g i Си «л £ й, -О в4* § О*' г fS ¡5* ■Сч Z -

Дерново-подзолистая -2,0 -¡,5 -1,9 .1,3 -0,9 +0,1 +0,9

Серая лесная -5,0 -5,5 -4,0 -2,0 -0.1 +1,5 +2,6

Чернозем выщелоченный -6,8 -6,7 -6,0 -5,7 -4,8 -3,8 -3,7

Таким образом, рациональное использование калийных удобрений оптимизирует минеральное питание растений, повышает эффективность^ и Р, снижает удельное потребление элементов питания на создание единицы продукции. Знание общих закономерностей потребления калия культурами позволяет успешно регулировать калийный баланс в агроценозе, для чего необходимы и объективные сведения о калийном фонде почв.

Глава б. Оценка калийного фонда почв

Несоответствие валового содержания К в почвах и условий калийного питания растений обусловливает необходимость выделения форм этого элемента, как для диагностики обеспеченности выращиваемых культур, так и для мониторинга калийного состояния почв. Различными авторами [Гед-ройц, 1935; Важенин, Карасева, 1959а; Пчелкин, J966; Rich, 1968; Sparks," Huang, 1985; Bertsch, Thomas, 1985; н др.] были предложены классификации форм почвенного К, основанные, прежде всего, на прочности связи элемента с твердой фазой почв, которые обобщенно можно представить в следующем виде: 1) К почвенного раствора, 2) К обменный, 3) К необменный, 4) К почвенного скелета {структурный, минеральный).

На основании имеющихся литературных данных [Важенин, Карасева, 19596; Woodruff, Mcintosh, 1961; Медведева, 1978; Барбер, 1988; и др.] н собственного сравнительного изучения ряда методов определения форм К в почвах Западной Сибири, в наших исследованиях предпочтение было отдано: при экстрагировании К почвенного раствора (легкообменного) -0,0025 и 0.01 M растворам СаСЬ, обменного -1 M CH3COONH4, необменного -1 M HNO3, структурного - концентрированной H2SO4.

Длительные мониторинговые исследования показали, что изменение интенсивности и направленности почвенных процессов в результате сельскохозяйственного использования автоморфных почв существенно влияет на их калийное состояние. Изменение содержания в почвах всех изучав-

шихся ферм калия подчинено общей закономерности: при сильнодефицитном балансе калия его уровень в почвах значительно снижается, а с усилением интенсивности использования калийных удобрений — постепенно возрастает. Общий уровень форм калия в почвах и характер их динамики во многом определяются количеством почвенных носителей тех или иных форм элемента (гумус, дисперсная фракция, калийсодержанше минералы).

Содержание подвижных форм калия в исследуемых почвах сохранялось на уровне близком к исходному при интенсивности калийного баланса от 50 до 75 %; при нулевом, а особенно положительном балансе, оно существенно увеличивалось. В зависимости от степени калийной нагрузки на аг-роценоз содержание обменного калия варьировало в пределах 2-20 мг/100 г в дерново-подзолистой почве, 7-30 - в серой лесной и 12-80 мг в выщелоченном черноземе, а необменного, соответственно - 30-70, 90-160 и 150260 мг К/100 г почвы. В полевых опытах все изменения содержания форм калия касались только пахотного слоя почв (0-20 см) и, в меньшей степени, подпахотного (20-40 см); ниже по профилю уровень калия был довольно стабильным. Исключение составляла длительно парующаяся почва, где наблюдался иллювиальный характер перераспределения подвижных форм калия с максимумом в слое 40-60 см.

В вариантах без внесения калийных удобрений содержание обменного К во всех почвах постепенно достигало некоторого минимального уровня, который при последующем интенсивном использовании почв практически не изменялся; подобное явление ранее отмечалось рядом авторов [Медведева, 1983; Shaipley^ Buol, 1987; и др.). В дерново-подзолистой почве этот уровень был достигнут через год после начала опытов, в серой лесной - через 4-5 лет, в черноземе — через 10 лет, т.е. в соответствии с почвенными запасами наиболее подвижных фракций калия.

Следует заметить, что содержание в почвах необменной формы калия, подобно обменной, по-видимому, также имеет свой минимальный уровень. Даже на относительно богатых калием суглинистых почвах, первоначально довольно быстрое падение уровня необменного калия при сильнодефицитном балансе впоследствии явно замедлилось; продолжавшийся при этом вынос элемента растениями был достаточно интенсивным. Вероятно, оставшийся в почвах необменный калий находится на позициях^'селектив-ноегь которых к элементу выше, чем поглотительная способность растений. Возможно также, что содержание необменного калия в почвах не опускается ниже определенного уровня за счет перманентно идущих процессов трансформации лабильных минералов в жесткие структуры [Про-кошевидр., 1979; Корнблюм, 1981; н др.].

Определение содержания структурного К в почвах при оценке их калийного статуса является целесообразным в связи с установлением потенциально доступных для растений почвенных запасов элемента. Очевидно, что за счет трансформации згой формы К идет восполнение в почве уровня егр более подвижных фракций. Обращает на себя внимание тот факт, что

и

соотношение между содержанием структурного К в исследуемых почвах было практически аналогично соответствующему соотношению количеств физической шины. Видимо, содержащийся в физическом песке калий не имеет значения прн определении структурной формы элемента. На основании уровня структурного калия можно судить о потенциальной способности почвы поддерживать в ней определенное содержание обменной и необменной форм элемента в условиях интенсивных агроценозов.

Общие ресурсы валового К в пахотном слое изученных почв довольно близки между собой и колеблются от 30-32 т/га в супесчаной дерново^' подзолистой почве до 38-40 т/га в тяжелосуглинистом выщелоченном черноземе. Запасы форм К в почвах существенно различаются (табл. 3).

Таблица 3. Прогнозная оценка периода достаточной обеспеченности почвенным калием выращиваемых культур

Дерново- Серая лесная Чернозем вы-

Показатели подзолистая почва щелоченный

почва

Форма калия: Запасы калия в слое 0-20 см, т/га:

Обменный 0,09 0,27 0,48

Необменный 0,8 2,5 4,0

Структурный 5,0 • 12,5 16,0

Планируемый урожай, т/га Период достаточной обеспеченности, число лет

Яровая пшеница

1,0-1,5 ¿5 ¿20 £30

1,5-2,5 2-4 7-15 10-25

>2,5 0 4-5 7-8

Картофель

10,0-15,0 £3-5. а 10-12 > 12-15

15,0-25,0 1-2,, 4-8 6-10

>25.0 0 2-3 4-5

Примечание. Прогноз при условии удаления с участка основной и побочной растительной продукции

Оценить масштабы той или иной формы почвенного К можно только при сравнении их с величиной выноса элемента растениями. Так, в наших полевых опытах на серой лесной почве среднегодовой вынос К за 12 лет в варианте 1ЧР (т.е. за счет почвенных ресурсов) составил 110 кг/га в овощном севообороте н 120 кг/га - в зерновом. За это время запас обменного К в пахотном слое снизился на 130 кг/га, а необменного - на 400-500 кг по сравнению с паром, т.е. только примерно 5-ти летний вынос К обеспечивался за счет запасов его обменной и необменной форм. Очевидно, что основная часть выноса К и восстановление до определенного уровня его подвижных форм осуществлялось из потенциальных ресурсов элемента, более

»

прочно связанных с минеральной основой почвы. Общий вынос К в опытах был близок к величине снижения запасов структурного калия в пахотном слое почвы. Потребление растениями этой формы калия могло осуществляться как непосредственно с занимаемых элементом специфических позиций, так и после его трансформации в другие, более подвижные формы.

Прогнозная оценка запасов калия в почвах затруднена в связи с непостоянством величины выноса элемента. По мере уменьшения почвенных запасов легкодоступного растениям калия, будут прогрессивно снижаться и потребление элемента культурами и их урожайность. Большое значение имеют ассортимент выращиваемых культур, по причине существенно различной их калийусваивающей способности, и складывающийся уровень урожайности. Поэтому реально оценить калийные ресурсы почв и дать их долгосрочный прогноз можно только на основе данных, полученных в соответствующих длительных опытах.

Примерные сроки, в течение которых исследованные почвы могут обеспечивать калием продукционный процесс выращиваемых культур при различном уровне его интенсивности, показаны в таблице 3. Прогнозная оценка почвенных запасов калия дана для двух наиболее распространенных культур — яровой пшеницы и картофеля. При большом потреблении калия обеими культурами, пшеница обладает высокой адсорбционной способностью К этому элементу, у картофеля же она довольно низка. На основании этого прогноза, можно ориентировочно определить и период безлимитной обеспеченности калием других растений, поглотительная способность которых к данному катиону известна.

Самым достоверным методом оценки плодородия почв в отношении калия является проведение длительных полевых и вегетационных опытов. Осуществляемое в таких исследованиях сопоставление данных об урожае с результами агрохимических анализов почв позволяет установить реальные параметры калийной обеспеченности выращиваемых культур.

Уровень легкообменного калия (или К почвенного раствора) дает представление о степени истощенности почвы, ее способности десорбировать ионы калия в раствор [Карпинский, 1965; ЫетеЛ е1 а1., 1970]. Наши исследования, а также работы других авторов [Шаймухамегов, Травникова, 2000; и др.] показывают, что содержание в почве этой формы калия, соответствующее определенным условиям калийного питания растений, является близким на различных почвах и мало зависит от абсолютных значений других форм элемента. Оптимальные условия калийного питания выращиваемых культур в наших опытах отмечались при содержании легкообменного калия (извлекаемого 0.0025 М раствором СаС12) в почвах в пределах 2-3 мг/100 г, независимо от того, тяжелосуглинистый чернозем ли это, или супесчаная дерново-подзолнстая почва. При снижении концентрации калия в почвенном растворе ниже 1 мг/100 г почвы ощущалась сильная потребность растений в дополнительном внесении этого элемента.

Содержание калия, экстрагируемого 0.01 М СаС12, характеризующей достаточный уровень питания растений, также представляло собой довольно близкие величины на разных почвах, но тем не менее, при его оценке уже следует учитывать гранулометрический состав и емкость катионного обмена (ЕКО) почв. По нашим данным, оптимальное содержание этой фракции почвенного калия составляет 3-5 мгдля легких почв, 5-8 - средне-суглинистых и 8-10 мг/100 г почвы - для тяжелосуглинистых.

Проведенная сравнительная оценка диагностических возможностей некоторых методов определения содержания в почвах обменной формы К показала ряд их особенностей, которые могут существенно повлиять на оценку калийного режима конвретной почвы [Якименко, 2003]. Так, по методу Кирсанова при низком содержании К в почве извлекалось меньшее количество этого элемента, а при высоком - большее по сравнению с методом Масловой. Экстрагирующие способности 0.5 М СНзСООН (по Чирикову) в значительной степени зависели от емкости поглощения почвы и насыщенности почвенно-поглощающего комплекса (ППК) калием: чем выше ЕКО почвы и чем ниже степень насыщенности этим элементом ППК, тем меньшее относительное количество обменного К извлекалось из почв. Очевидно, что диагностические возможности этого метода, довольно ограничены. Определение содержания обменного калия в почвах Западной Сибири, на наш взгляд, должно осуществляться с' использованием вытяжки 1 М СНзСООМН* (метод Масловой). Этот универсальный метод пригоден для использования на различных почвах и дает сравнимые между собой, хорошо воспроизводимые результаты.

Уровень обменного К в проведенных опытах существенно отличался как между исследуемыми почвами, так и между различными вариантами'на конкретной почве; при этом сходные условия калийного питания растений на разных-Почвах-наблюдались при различных абсолютных значениях содержания обменного К. Следовательно, объективная оценка уровня обменного К в почвах невозможна без учета их гранулометрического состава и ЕКО. Нам не удалось установить случаев, когда при длительном сильноде-фнцитном балансе доля К в ЕКО почв опускалась бы ниже 1.0-1.2 % в супесчаной и 0.8-0.9 % в суглинистых почвах. Этот уровень, видимо, является минимальным-и соответствует предельному истощению в почвах обменной формы К. Оптимальные условия калийного питания растений складывались при насыщении обменным К 2.0-3.0 % ЕКО супесчаной и 1.5-2.2 % - суглинистых почв; С повышением интенсивности калийного баланса насыщенность ЕКО почв этим элементом возрастала, достигая 5-7% при систематическом использовании повышенных доз калийных удобрений.

В связи с неодинаковой адсорбционной способностью по отношению к почвенному К разных культур, каждая из них имеет свои параметры калийной обеспеченности. Поэтому градации обеспеченности пахотных почв обменной формой К должны разрабатываться не только с учетом грануло-*

метрического состава почв, но и биологических особенностей выращиваемых культур (табл. 4). Отметим, что при «низкой обеспеченности» культуры со слабой калнйусваивающей способностью не отзываются на внесение КР удобрений, а для растений, эффективно использующих почвенный калий, такой степени истощения почв в наших опытах не отмечалось.

Таблица 4, Градации обеспеченности обменным калием некоторых культур при выращивании на зональных почвах Западной Сибири, мг/100 г почвы

Обеспеченность культур Содержание в почвах физической глины (частиц < 0.01 мм), %

10-20 20-30 30 - 40 | 40-50

Яровая пшеница

Неустойчивая <5 <10 <16 <22

Оптимальная 5-10 10-16 16-22 22-30

Повышенная >10 >16 >22 ( >30

Капуста, томат

Неустойчивая <8 <12 <18 <25

Оптимальная 8-12 12-18 18-25 25-35

Повышенная >12 >18 >25 >35

Картофель

Низкая <5 <10 .<15 <20

Неустойчивая 5-10 10-15. 15-20 20-30

Оптимальная 10-15 15-20 20-30 30-40

Повышенная >15 , >20 >30 >40

Морковь, лук репчатый

Низкая <4 <8 < 14 <18

Неустойчивая 4-8 8-14 14-18 18-24

Оптимальная 8-14 14-18 18-24 24-30

Повышенная >14 >18 >24 >30

Обменный К, как диагностический показатель при мониторинге калийного состояния почв агроцеиоэов, довольно хорошо отражает режим накопления этого элемента и значительно хуже — масштабы его потребления культурами. При низкой насыщенности ЕКО почв калием, содержание обменной формы не отражает действительные потери элемента с выносом урожаем. Оценить масштабы потерь почвенного калия, в агроценозах, а также ближайшие ресурсы пополнения его обменной формы можно по содержанию в почве необменного калия. На основании проведенных исследований нами разработаны градации обеспеченности калием пахотных почв Западной Сибири по содержанию его необменной формы (табл. 5).

Между содержанием необменного и обменного К существует определенное, относительно устойчивое соотношение, которое в изученных поч-

в ах (с однотипным минералогическим составом) мало зависит от их типовой принадлежности и гранулометрического состава. Это соотношение, вне

Таблица 5. Градации обеспеченности необменным калием пахотных почв Западной Сибири, мг /100 г

Обеспеченность Содержание в почвах физической глины, %

10-20 20-30 30-40 40-50

Неустойчивая <40 <60 <П0 <180

Оптимальная 40-60 60-110 110-180 180-250

Повышенная >60 >110 > 180 >250

зависимости от абсолютных значений форм К в различных почвах, представляет вполне сравнимые между собой показателя (табл. б) и определяется интенсивностью калийной нагрузки на агроценоз. Отношение Квеоб-менный : Кобменный косвенно отражает заполненность почвенных калийсе-лективных позиции, направленность вектора трансформации форм калия и может быть использовано для оценки текущего калийного состояния пахотных почв [Якименко, 2003].

Таблица 6. Изменение соотношения Киеобменный' Кобменный в почвах после их 12-летнего сельскохозяйственного использования

Почва Целина Й-а Без удобрений % чо VI £ £ £ о Ъй си 2 £ ей 2 1 £ 2 £ а £ 2

Дерново-подзолистая 10 9 11 13 11 10 7 7 4

Серая лесная 9 9 14 15 13 13 10 8 6

Чернозем выщелоченный 8 8 12 13 11 9 7 6 4

В целом, исследования показали, что калийное состояние зональных почв Западной Сибири может значительно изменяться при их интенсивном использовании в агроэкосистемах. Для объективной оценки калийного статуса почв агроценозов необходимо комплексное использование нескольких индексов обеспеченности, характеризующих.как наиболее доступные растениям формы калия, так и почвенные ресурсы их потенциального восполнения.

Глава 1. Трансформация форм калия в почвах

Изучение природа, механизма и факторов адсорбции-десорбции К, наряду с исследованием его форм, создает фундамент для научно обоснованного регулирования плодородия почвы (Кардиналовская, 1960; McLean, 1962; Горбунов, 1965; Пчелкин, 1966; Жукова, 1967; Медведева, 1976; Ко-

раблева, Слуцкая, 1978; Барсова и др., 1992; Носов' и др., 1997; и др.]. Обзор имеющихся литературных материалов показал, что несмотря на значительное число работ, посвященных изучению процессов трансформации К в почвах, в данном вопросе еще существует немало неясностей и противоречий. В значительной степени это связано с тем, что механизмы и количественные проявления тех или иных процессов могут существенно отличаться в зависимости от почвенно-климатических и других условий.

В связи с важностью процессов трансформации форм калия для почвенного калийного состояния нами проведено изучение фиксирующих, де-сорбционных и восстанавливающих способностей зональных почв Западной Сибири, а также их изменений в условиях атроценоза.

Распределение вносимого К в почвах по его формам представляет интерес не только с агрохимических, но и с почвенно-геохимических позиций. Особенности трансформации К удобрений в различные формы отражены в таблице 7. Количество обменной формы К во всех почвах возросло

Таблица 7. Распределение внесенного в зональные почвы калия удобрений по его почвенным формам через год после внесения, мг /100 г

Вариант (внесено калия) К, экстрагируемый Зафих-сиро-вано, в%

1М СН3СООКН4 2 М НС1 втом числе дополнительно 1М Н№Э3 в том числе дополнительно

Дерново-подзолистая почва

Ко 4 25 21 35 10 -

Кц б 28 22 44 ¡6 "82

к21 14 38 24 55 17 53

к53 29 50 21 84 34 53

Серая лесная почва

•Ко 13 89 76 118 29

, к„ 15 90 75 128 38 82

18 94 76 139 45 81

: к53 24 110 86 169 59 80

Чернозем выщелоченный

Ко 33 136 103 209 73 -

Кц 39 142 103 220 78. 46

К21 42 146 104 230 84. . 58

к53 56 160 104 261 101..,- 57

пропорционально дозам вносимых удобрений. Содержание же К, дополнительно извлекаемое из почвы 2 М раствором НС 1, в разных почвах было

различным, но в каждой конкретной почве практически не изменялось даже при высоких дозах калийных удобрений. Считается, что в эту вытяжку переходит К, необменно-погяощенный набухающими минералами почв. Очевидно, что в связи с относительной бедностью изучаемых почв вермикулитом и смекгитом, в межслоевом пространстве расширяющейся решетки которых возможно необменное поглощение К, основной механизм его фиксации был иным. Устойчивое повышение содержания в почвах необменного К, дополнительно извлекаемого 1 М HNO3, при всех используемых дозах калийного удобрения свидетельствует о том, что фиксация внесенного К зональными почвами осуществляется, главным образом,в этой его форме. Фиксация калия почвами могла происходить двумя способами: путем иллитизации какой-то части набухающей минеральной фазы и при непосредственном вхождении катионов калия на имеющиеся свободные позиции в кристаллической решетке минералов иллитового типа. Учитывая, что основным глинистым минералом пахотных почв региойа ЯВляеТся гидрослюда, второй путь выглядит предпочтительнее. В любом случае, фиксация калия в изученных почвах происходит на высокоселективных к нему позициях, извлечение катиона с которых возможно только растворами сильных кислот при кипячении, ' '

Объем необменного поглощения внесенного калия определялся емкостью фиксации почвы, зависящей от содержания в ней глинистой фракции, а также насыщенностью ППК этим элементом. Почвы, имеющие большую емкость фиксации, могли не поглощать калий вследствие высокой им насыщенности, а почвы бедные калием не фиксировали повышенные его до^ зы из-за низкой емкости поглощения [Якименко, 1995). ■ ""

Примерно одинаковая фиксирующая способность изученных почв при разных дозах вносимых удобрений (см. табл. 7) связана с устойчивостью почвенного соотношения между формами К. Данные пропорции, очевидно, зависят от сочетания совокупности почвенных позиций с различной селективностью к калию и определяются качественньш , составом минеральной основы почв. Присущая каждой почве калийная буфериость, заключается в способности сохранять, по возможности, эти пропорции как в случае поступления К, так и его выноса. Поэтому внесенный К распределяется в почве по его формам в соответствии со сложившимся соотношением между ними. Следует отметить, что указанные процессы характерны для недеградированных ■ почв и для «нешоковых» доз вносимых удобрений. Однако различные почвы обладают неодинаковой способностью поддерживать соотношение между формами К на стабильном уровне. Так, соотношение между необменным К (дополнительно извлекаемым 1 М HNO3) и обменным в изучаемых почвах было: у чернозема - 2.2, серой лесной почвы — 2.3, дерново-подзолистой - 2.5. Подчеркнем близость этих естественных пропорций в почвах, значительно различающихся по содержанию гумуса и илистой фракции. После внесения возрастающих доз калийных удобрений (11,:

21 и 53 мг К/100 г почвы) соотношение между необменным и обменным К в почвах стало (соответственно): в черноземе - 2.0 — 2.0 - 1.8, серой лесной - 2.5 - 2.5 - 2.5, дерново-подзолистой - 2.6 - 1.2 - 0,8. В черноземе выщелоченном это соотношение несколько снизилось в силу достаточной насыщенности калием трехслойных глинистых минералов, фиксирующих этот элемент, и высокого содержания гумуса, удерживающего значительные количества К в обменной форме. Количество незаполненных необменных позиций в минеральной основе серой лесной почвы, достаточное содержание гумуса и емкость ППК позволяли поддерживать стабильное соотношение между формами К даже при его значительных дополнительных поступлениях. Супесчаная дерново-подзолистая почва вполне могла трансформировать небольшие дозы вносимых калийных удобрений, сохраняя равновесие между почвенными формами К; однако, в связи с невысоким содержанием тонкоднсперсных фракций н сравнительно низкой емкостью необменного поглощения К, при повышении доз вносимых удобрений эти пропорция резко смещались в сторону накопления обменной формы элемента.

Несмотря на большой вынос растениями почвенного К при сильноде-фкцитном балансе в длительных опытах, фиксирующая способность почв возросла незначительно (табл. 8). Разница между вариантами «пар» и «NP» на дерново-подзолистой н серой лесной почвах не превышала 10 %, а на черноземе - 20. Слабое влияние интенсивного использования почв при дефицитном калийном балансе на необменное поглощение калия объясняется,'на наш взгляд, тем, что и при потреблении элемента растениями из почвы, также соблюдается определенное долевое участие его форм. Соответственно вновь поступающий в почву калий пропорционально идет на увеличение как его необменной, так и обменной формы [Якименко, 1999].

Таблица 8. Фиксация калия почвами агроценозов (за 6 месяцев), %

Внесено, мгК/1 ООг Дерново-подзолистая Серая лесная Чернозем выщелоченный

Пар си Z iS <n i z Пар cl. 2 ¡2 р. 2 Пар Р* Ъ о-v^ M й eu

К11 73 82 18 73 82 45 45 64 36

К21 71 81 19 72 76 33 47 67 29

К53 45 60 6 72 79 32 49 72 26

Независимо от степени истощенности почвы и используемой дозы удобрения, вносимый К никогда не фиксировался полностью. Так, истощенная серая лесная почва при внесении 53 мг К/100 г была способна фиксировать до 42 мг К, а при более низких дозах необменно поглощалось лишь

9-16 мг, т.е. не происходило одностороннего накопления калия в какой-либо одной из его почвенных форм. ""*

Наибольшие изменения калийфиксирукяцей способности почв произошли при многолетнем положительном балансе. Исследуемые почвы при внесении в них повышенньге доз калийных удобрений имели следующую насыщенность калием (в % от ЕКО): дерново-подзолистая - 7.4, серая лесная - 3.2, чернозем выщелоченный — 2.7. Очевидно, соответствующим образом были заполнены и необменные (фиксирующие) позиции. В результате фиксирующая способность дерново-подзолистой почвы резко снизилась: если в варианте ЫР почва необменно поглощала 60-82 % внесенного К, то в варианте №К - только 6-19 У», т.е. в 4-10 раз меньше. Фиксация К другими почвами также заметно уменьшилась: серой лесной с 76-82 до 3245 %, черноземом выщелоченном - с 64-72 до 26-36 %. По-видимому, определяющую роль в интенсификации процессов фиксации калия играет степень насыщенности им почвенных поглощающих позиций.

Калийное питание растений за счет почвенных запасов во многом зависит от способности катионов К переходить из поглощенного состояния в почвенный раствор. Оценить десорбционную способность почв по отношению к обменно-поглощенному К можно путем определения количеств элемента, переходящих в вытяжки уксусно-кислого аммония возрастающих концентраций (рис. 5). Наибольшей подвижностью обладает обменный калий супесчаной дерново-подзолистой почвы, практически весь извлекаемый слабым 0.01 М раствором. Значительно менее мобилен К в тяжелосуглинистом черноземе - 0.01 М раствор ацетата аммония извлекает меньше половины всего запаса обменного К.

О 0.001 0.01 0.05 0.1 0.5 1.0

Концентрация ацетата аммония, М

Рис. 5. Подвижность обменного калия в зональных почвах.

Различная интенсивность баланса калия в исследуемых почвах оказала существенное влияние на содержание его форм, тем не менее характер' йЬ-

билнзации элемента каждой конкретной почвой оставался примерно одинаковым независимо от степени ее калийного истощения (табл. 9). В дер-

Таблица 9, Десорбция калия почвами агроценозов

Вариант Концентрация раствора СН3СООМН4, М

.,0 | 0,001 | 0,01 0,05 0,1 0,5 1,0

Дерново-подзолистая почва

Пар 1 /50 1/50 2/100 2/100 2/100 2/100 2/100

№ ■ 1/50 1/50 2/100 2/100 2/100 2/100 2/100

-ОТК 9/45 12/60 16/80 17/85 18/90 18/90 20/100

Серая лесная почва

Пар 2/15 3/23 7/53 10/76 10/76 И /84 13/100

т> 1/11 2/22 4/44 7/77 7/77 8/88 9/100

6/19 9/29 17/54 24/77 25/80 29/93 31/100

'■'; Чернозем выщелоченный

Пар 2/9 3/13 ■10/45 16/72 17/77 19/86' 22/100

ИР 1/6 2/13 6/40 9/60 11/73 13/86 15/100

№К 5/11 8/18 19/43 29/65 34/77 42/95 44/100

Примечание. Над чертой - количество экстрагируемого К в мг/100 г почвы, под чертой — в % от обменного калия (1 М раствор СНзСОСЖЩ).

ново-подзолистой почве около половины всего обменного К находилось в водорастворимом состоянии, при этом содержание обменной формы элемента между вариантами № и МРК отличалось в Юраз. В серой лесной почве й черноземе относительные количества К (в % от обменного), экстрагируемые соответствующими растворами из почв, были примерно одинаковыми в аналогичных вариантах опыта, хотя содержание (в мг/100 г) обменного К в почвах этих вариантов сильно различалось. Способность почв десорбировать К при увеличивающейся нагрузке (концентрация экст-рагента) не зависела от общего количества в них обменного К, а определялась присущими им особенностями ПИК - его природой и количеством ка-лийадсорбирующих позиций. Слабое различие между удобрявшимися и не-удобрявшимися калием почвами по специфике десорбции этого элемента свидетельствует, что природный К и вновь поступающий в почву с удобрениями распределяются пропорционально по позициям, адсорбирующим с различной прочностью связи этот катион, независимо от общего его содержания. Некоторое увеличение относительных количеств К, экстрагируемых из почв слабыми растворами ацетата аммония, в варианте ЫРК по сравнению с вариантом вероятно, связано с увеличением степени десорбция катиона К по мере насыщения им почвы, а также с большей подвижностью адсорбированного К удобрений в сравнении с почвенным К.

С процессами десорбции калия непосредственно связана почвенная восстановительная способность. Для изучения способности почв воспол-

пять снизившийся уровень наиболее подвижных калийных форм в лабораторных опытах да почвенных образцов удаляли калий, переходящий в различные вытяжки (табл. 10). Обработанную почву компостировали в,течение года при комнатной температуре в режиме попеременного увлажнения и высушивания, после чего определяли содержание почвенных форм К.

Таблица 10. Содержание форм калия в почвенных образцах через год после удаления элемента вытяжками в лабораторных опытах, мг/100г

Вариант Дерново-подзолистая Серая лесная Чернозем выщелоченный

1 2 3 1 I 2 3 1 2 . 3

1 М ШОз

Пар 1,3 2,0 15 3,0 7.0 43 6,0 15,8 79

Без удобрений 1,3 2.0 15 3,0 6,7 36 5,6 14,2 70

ЫР 1,3 2,0 15 зл 6,9 38 5,6 13,2 70

№К25% 1,3 2,0 15 3,0 6,9 38 5,4 13,5 69

N№50% 1,3 2,5 15 3,2 6,9 41 6,0 14,2 71

КРК75% 1,3 2,5 15 3,2 6,9 43 6,5 15,3 72

МРК100% 1,3. 2,5 15 3,2 6,9 43 6,2 15,5 74

1,3 2,5 17 3.2 7.0 43 6,6 15,8 79

1 М СН3СООШ4

Пар 1,5 2,0 34 2,0 7,2 112 5,8 12,6 168

Без удобрений 1.4 1,5 27 1,6 5,7 98 5,4 10,6 141

КР 1Д 1,5 29 6,0 103 5,2 10,4 156

ЛРК25% 1,5 1.5- 31 2,6 6,5 103 5,6 10,6 155

ЫРК50% 1,5 2,0 32 3,0 7,8 НО 6,3 13,2 162

№К75% 1,8 2,0 36 3,0 7,8 119 6,7 13,5 172

1,8 2,5 40 3,2 8,6 134 8,0 .15,5 187

№К125% 2,2 4,6 45 3,4 8,8 139 9,0 20,0 212

Примечание. 1 - экстрагируемый 0.01 М СаС 1 г, 2 - 1 М СН3СОО№14,3 - 1 М НМ03.

После удаления вытяжкой необменного К все образцы соответствующей почвы оказались в практически равных начальных условиях для генерации уровня наиболее подвижных калийных форм - существовавшая степень истощенности почв не влияла на темпы и масштабы восстановления форм К. По-видимому, в этом процессе решающую роль играют запасы содержащегося в глинистой фракции почв структурного К, отличия между которыми в различных вариантах конкретной почвы были несущественными. Тем не менее, имевшаяся тенденция снижения содержания структурного К при длительном дефицитном балансе свидетельствует о вероятном на-

рушении почвенных восстановительных функций в случае дальнейшего продолжения значительного ¿»компенсируемого выноса калия из почвы.

Результаты опыта показывают, что изучаемые почвы обладают примерно одинаковой (в относительном выражении) способностью восстанавливать уровень форм К (см. табл. 10) - во всех почвах через год после их обработки раствором азотной кислоты уровень необменного К составлял около трети по сравнению с соответствующими необработанными почвенными образцами, а обменного - 40-50 %. Следует отметить, что восстановление уровня подвижного К в почвах происходило с соблюдением естественных пропорций, существующих между формами К в неистощенной почве. Так, после года компостирования цочв соотношение Кнеоби. : Кобм. составляло: в дерново-подзолистой почве - 7-6, серой лесной - 6-5, черноземе выщелоченном — около 5. Почвы, имеющие более высокий подвижный калийный фонд, сформированный в процессе их развития, обладали и повышенными потенциальными возможностями к его воспроизводству.

При удалении из почв только обменного К (1 М СНзССКЖЬЦ), в процессе последующего восстановления его исходного уровня отчетливо проявлялось значение предшествующей удобренности почв этим элементом (см. табл. 10). В образцах, взятых из вариантов соответствующих почв, эксплуатировавшихся при длительном дефицитном балансе К, масштабы возобновления содержания его обменной формы были заметно ниже, чем в вариантах, где баланс К был близок к нулю. Сложившийся при различном балансе калия резерв его необменной формы в почвах являлся основным донором для восполнения уровня обменной формы, поэтому восстановленное содержание обменной формы было прямо пропорционально имеющемуся почвенному запасу необменного К. Следовательно, чем выше фонд необменного калия в конкретной почве, тем эффективнее протекает процесс восстановления снижающегося уровня обменной формы элемента.

Таким образом, процессы фиксации и мобилизации калия в почвах, регулируя потоки этого элемента поступающего в почвы и отчуждаемого из них, обеспечивают сохранение эволюционно сложившихся пропорций между почвенными калийными формами и, наряду с емкостью калийного запаса, определяют калийный статуе почв. Эти процессы взаимосвязаны и обратимы, но в зависимости от текущего преобладания какого-либо из них складывается соответствующий почвенный калийный режим и условия питания растений. Следовательно, характер и специфика процессов трансформации К в почвах обязательно должны учитываться при оценке калийного состояния почв н при проведении мероприятий по его оптимизации.

Глава 8. Значение гранулометрических фракций для калийного статуса почв агроценозов Исследованию содержания К в гранулометрических' фракциях почв посвящено значительное количество работ, показывающих, что особенности минералогического состава почвенных фракций различных регионов

отражаются в неодинаковом распределении в них К [Петков, 1965; Покоти-ло, 1967; Беляев, 1970; Горбачева, 1975; Середина, 1984; Пивоварова, 1988; Скоропанова, 1988; и др.]; при этом значение дисперсных и грубозернистых фракций почв в обеспечении растений калием имеет неоднозначную оценку среди исследователей [Rich, 1972; James, Weaver, 1975; Munn ct al., 1976; Градусов, Яковлева, 1997; и да.]- Интенсивная антропогенная нагрузка на почвы может вызывать преобразования кристаллохимия еского состава и свойств мелкозема [Козловский и др., 2001; и др.], причем, одним из факторов, стимулирующих текстурную дифференциацию почвенного профиля, является применение калийных удобрений [Прокошев и др., 1979]. Однако имеющиеся в литературе данные по изменению содержания К в гранулометрических фракциях почв в условиях агропедогенеза очень немногочисленны [Перевалов, ПоддубныЙ, 1974; Козлова и др., 2000; и др.].

В этой связи в наших исследованиях проводилась оценка степени участия различных почвенных частиц в обеспечении калийного режима почв и питания культур калием путем определения изменений содержания обменной и необменной форм К в гранулометрических фракциях почв агроценозов. Отметим, что сравнение фракций разных почв по обеспеченности калием, на наш взгляд, наиболее целесообразно проводить по содержанию необменной формы, так как при длительном отмучивании почвенных гранул для выделения отдельных фракций возможны непропорциональные потерн легкоподвижной части обменного калия [Якименко, 2001].

Прежде всего, следует подчеркнуть постепенное снижение содержания форм калия по мере увеличения размеров почвенных частиц; при этом ни у одной из фракций почв, в том числе илистой, не было подавляющего превосходства в обеспеченности элементом по сравнению с близкими по размеру частицами (табл. 11). В этой связи можно утверждать, что калийный статус изученных почв зависит не только от количества в них ила. В суглинистых почвах, развитых на лессовидных суглинках, доминирующую долю в гранулометрическом составе занимает крупнопылеватая фракция (41-45 %). Учитывая довольно высокое содержание калия в крупной пыли (в необменной форме — 98-182 мг/100 г фракции), становится очевидным, что значение этой фракции в обеспечении почв элементом, по меньшей мере, не уступает илу. В супесчаных почвах решающую роль в обеспечении калием играют количественно невысокие, но сравнительно насыщенные элементом тон ко дисперсные фракции — ил и мелкая пыль.

Содержание ферм К в одноразмерных гранулометрических фракциях почв повышается в ряду: дерново-подзолистая < серая лесная < чернозем выщелоченный. По мере увеличения размера фракций, относительные различия в содержании К между соответствующими фракциями разных почв возрастают. Так, сопоставляя почвы парующихся вариантов опытов отметим, что наиболее однородным по содержанию необменного К является ил: в дерново-подзолистой почве - 224 мг, серой лесной - 364, черноземе выщелоченном - 408 мг К/100 г фракции; в то же время количество К в пес-

чаных фракциях почв отличается на порядок: например, в мелком песке содержится соответственно 13 мг, 72 и 130 мг на 100 г навески (см. табл. 11),

Таблица 11. Содержание необменного калия в почвах и их гранулометрических фракциях при различном калийном балансе в агроценозах, мг /100 г

Вариант Гранулометрические фракции, мм Почва (0-20 см)

<0,001 0.0010.005 0.0050.01 о.ог-0.1 0,10.25 >0.25

Дерново-подзолистая

Пар ' 224 142 77 30 13 10 | 41

Без удобрений 155 113 73 25 12 9 24

ЫР 167 122 77 30 13 10 ! 25

№Кюо% 207 146 95 37 . 13 ... 10 I 41

НРК125% 235 , 161 114 45 14 10 ■ 43

■ НСР05 Ш 10.7 5,3 3,2 •2;2- 1,4 1 3,5

Се рая лесная

Пар' ■ ■ 364 317 195 98 72 16 121

Без удобрений 317 261 170 95 67 14 112

ЫР 331 268 166 85 65 14 105

МРКюо% 450 356 236 113 76 16 155

МРК!25% 450 347 259 115 76 18 166

НСР05 . 43,7 34,5 23,4 23,3 20,4 3,8 27,7

Чернозем выщелоченный

Пар 408 358 270 182 130 45 \ 228

Без удобрений 380 321 257 171 121 45 198

№ 382 301 239 168 110 42 182

МРКГСО* 432 337 280 195 130 42 244

449 380 295 217 151 46 274

НСР05 21,5 22,4 18,4 17,0 17,0 4.1 19,1

Сравнение серой лесной почвы и чернозема выщелоченного показало, что содержание обменного и необменного калия в соответствующих тонкодисперсных фракциях этих почв - иле и мелкой пыли — примерно одинаковое, тогда как в более крупных частицах оно отличается в разы. Принимая во внимание различную общую обеспеченность почв калием, можно полагать, что их калийное состояние определяется не только дисперсной, но и более грубозернистыми фракциями. Отличия по содержанию форм калия в одноразмерных гранулометрических фракциях изученных почв связаны как с особенностями перераспределения калнйсодержащих минералов по почвенным фракциям, , так и с неодинаковой насыщенностью однотипных ми-

нералов калием в связи с различной интенсивностью и направленностью почвообразовательных процессов.

- Сельскохозяйственное использование исследуемых почв отразилось на содержании обменного и необменного калия в их гранулометрических фракциях. В дерново-подзолистой супесчаной почве в вариантах с дефицитным балансом калия статистически существенное снижение содержания его форм наблюдалось только во фракциях ила и мелкой пыли, что свидетельствует о приоритетном участии этих фракций в обеспечении калием культур, выращиваемых на данной почве. Однако небольшое количество-в. почве тонкодисперсных частиц, а также невысокий уровень в них калия определяют ее низкий, в целом, калийснабжающий потенциал. При положительном балансе калия в агроценозах накопление его форм было отмечено в иле и во всех пылеватых фракциях.

Возможность участия в обеспечении растений калием в исследуемых суглинистых почвах не только тонких, но и более грубых фракций, определяла их повышенное плодородие в отношении этого элемента. При существовавшей калийной нагрузке на почвы значительные изменения в содержании форм калия произошли во фракциях ила, мелкой и средней пыли; тенденция снижения количества элемента при сильнодефицитном его балансе отмечалась и в крупной пыли. Очевидно, что в случае дальнейшего некомпенсируемого выноса калия из почв, в снабжении культур этим элементом будет возрастать роль, прежде всего, фракции крупной пыли, как потенциально высоко обеспеченного источника.

Следовательно, режим и масштабы мобилизации калия в изученных почвах зависят от степени участях в ней, помимо илистой, различных пылеватых фракций*, чем большее количество гранулометрических фракций участвует в обеспечении растений калием, тем выше калийснабжающий потенциал почвы. Накопление форм калия при бездефицитном его балансе в агроценозе происходит в илистой и всех пылеватых фракциях, независимо от их относительного содержания в почвах.

Заключение

Системный подход к изучению калийного фонда зональных почв Западной Сибири позволил установить, что эффективное регулирование режима калия в агроценозах возможно только на основе знаний почвенных запасов форм этого элемента, механизмов и направленности их трансформации, особенностей калийного питания выращиваемых культур.

Комплексная почвенная диагностика калийного статуса пахотных почв предусматривает использование нескольких взаимно дополняющих друг друга показателей, характеризующих как количественный состав форм калия, так и качественное состояние системы почвенных калийселективных позиций. На основании этих индексов можно судить о текущей обеспеченности растений калием и имеющихся в почвах потенциальных резервах калийных форм, а также прогнозировать период безлимитного снабжения

культур агоценозов почвенным калием. Эта оценка во многом зависит от биологических особенностей возделываемых культур и условий их выращивания.

Исследования показали, что между формами калия в изученных авто-морфных почвах существует определенное устойчивое соотношение, довольно близкое для многих почв; интенсивная хозяйственная натрузка на почву может вызывать сдвиг этого соотношения в ту или иную сторону. Изменение пропорций между формами калия в почве агроценоза отражает почвенное плодородие в отношении этого элемента и показывает преимущественное доминирование в данный момент определенных превращений калийных форм.

Трансформация форм калия в почвах при поступлении элемента с удобрением или выносе с урожаем направлена на сохранение естественного соотношения между почвенными калийными формами. Процессы фиксации-десорбции калия, осуществляя депонирование элемента на селективных к нему позициях или мобилизуя при снижении уровня наиболее подвижных его форм, обеспечивают устойчивость и эффективность функционирования калийного режима в почвах.

Различия почвенного калийного статуса обусловлены неодинаковой насыщенностью калием одноразмерных гранулометрических фракций и их различным относительным содержанием в зональных почвах. Чем выше уровень доступного растениям калия в соответствующих гранулометрических фракциях, тем устойчивее калийснабжаютций потенциал почвы.

В целом, можно сказать, что оптимизация калийного режима в агроце-нозах, обоснованию необходимости и возможных путей которой посвящены наши исследования, является одной из важнейших составляющих общего, сохранения и повышения плодородия почв при интенсификации продукционного процесса выращиваемых культур.

Основные выводы

1. Эффективность использования калийного фонда в атроценозе, включая почвенный калий и внесенный с удобрениями, зависят от свойств почвы, погодных условий, продуктивности и биологических особенностей выращиваемых культур. Общей закономерностью действия калийных удобрений является устойчивое возрастание их эффективности во времени и при воздействии на агроценоз неблагоприятных внешних факторов.

2, Комплексная оценка калийного статуса пахотных почв должна осуществляться с использованием нескольких диагностических показателей. Концентрация калия в почвенном растворе, насыщенность ППК обменным калием, соотношение К необменный : К обмеаный - демонстрируют степень истощенности почв доступным для растений калием, текущее почвенное калийное состояние и являются, в целом, довольно универсальными индексами для различных автоморфных почв. Содержание в почвах обменного и необменного калия характеризует его наиболее доступные

растениям почвенные запасы и дает возможность прогнозировать период безлимитного снабжения культур этим элементом; оценку уровня форм калия в почвах следует проводить с обязательным учетом их гранулометрического состава, а также особенностей возделываемых культур.

3. Между формами калия в зональных почвах Западной Сибири существует относительно устойчивое соотношение, слабо зависящее от гранулометрического состава и типовой принадлежности почв. В пахотных почвах это соотношение может изменяться в зависимости от баланса калия в агро-ценозе, отражая специфику трансформации форм этого элемента.

4. Трансформация форм калия в автоморфных почвах как при его мобилизации, так и при аккумуляции направлена на сохранение естественных пропорций между почвенными калийными формами. Способность почв поддерживать стабильное соотношение между формами халия и восстанавливать их снижающийся уровень при интенсивной нагрузке на агроценоз зависит от количества в почвах природных носителей форм калия н их насыщенности этим элементом.

5. Режим и масштабы мобилизации калия в почвах, характеризующей их плодородие в отношения этого элемента, определяются степенью участия в ней как илистой, так и различных пылеватых фракций. Вынос калия нз супесчаной почвы обеспечивается за счет его резервов в иле и мелкой пыли, из среднесуглинистой - кде, мелкой и средней пыли, из тяжелосуглинистой — в иле и всех пылеватых фракциях. Накопление форм калия в почвах при бездефицитном его балансе в агроценозе осуществляется во всех гранулометрических фракциях, составляющих физическую глину, независимо от относительного содержания в почвах этих фракций.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Монографии

Калий в агроценозах Западной Сибири. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2003.-231 с.

Нитраты и качество продуктов растениеводства. — Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991. - 167 с. (соавторы А.П. Лешков, В.М. Назаркж, Г.П. Гамзиков и др.).

Научные статьи и рекомендации Пути снижения содержания нитратов в овощах и картофеле в Сибири, Методические рекомендации. - Новосибирск, 1989. - 39 с. (соавторы В.М. Назаркж, A.C. Прозоров, ИМ. Майборода и др.). Орган о-минеральное сырье сельскохозяйственного назначения Новосибирской области, - Новосибирск, 1990. - 170 с. (соавторы ИМ. Гаджиев, И.Я. Маслова.В.М.Назарюкидр.). ■ '

Калийные удобрения под овощные культуры // Химизация сельского хозяйства. - 1991. - № 9. - С. 48-50.

Влияние калийных удобрений на урожайность и качество овощных культур и содержание форм калия в серой лесной почве // Агрохимия. - 1993. -№ 12.-С. 16-22.

Калийные удобрения и урожайность зерновых культур // Химия в сельском хоз)йстве. - 1994. - № 2. - С. 14-15.

Влияние калийных удобрений на урожайность зерновых культур н содержание калия в серой лесной почве // Агрохимия, - 1994. - № 7-8, -С. 45-49.

Фиксация и десорбция калия некоторыми автоморфнымн почвами // - Агрохимия.-1995.-Лз 2.-С. 12-18.

Эффективность калийных удобрений на почвах с различной обеспеченностью калием // Агрохимия. - 1995.-№ 12.-С. 71-75.

Влияние калийных удобрений на продуктивность овощных культур и ба--ланс калия в серой лесной почве //Агрохимия. - 1997. - № 2. - С. 5659.

Эффективность применения калийных удобрений под зерновые культуры И Сибирский вестник с/х науки. -1998. - № 1-2.— С. 16-18.

Влияние интенсивного использования почвы на фиксацию и десорбцию калия // Агрохимия. - 1999. -№б.-С. 16-20.

Изменение калийного фонда серой лесной почвы в агроценозах И Совре-■' менные проблемы почвоведения в Сибири: Материалы Междунар. научной конф. - Томск: Изд-во ТГУ, 2000. - Т. 2. - С. 478-480.

Баланс, формы и запасы калия в агроценозах на серой лесной почве // Агрохимия. - 2000. - № 11. - С. 5-9.

Изменение содержания форм калия в гранулометрических фракциях некоторых автоморфных почв в агроценозе // Агрохимия. — 2001. - № 6. -С. 11-16,

Комплексная оценка калийного состояния почв агроценозов И Геоэкологические проблемы почвоведения и оценки земель: Материалы Между-нар. научной конф. - Томск: Изд-во ТГУ, 2002. - Т. 2. - С. 465-466.

Роль процессов трансформации калия в обеспечении устойчивости почвенного калийного режима М Геоэкологические проблемы почвоведения и оценки земель: Материалы Междунар. научной конф. - Томск: Изд-во ТГУ, 2002. - Т. 2. - С. 467-468.

Оценка калийного состояния пахотных почв Западной Сибири // Геоэкологические проблемы почвоведения и оценки земель: Материалы научно-практической конф. (25-26 сентября 2003 г.). - Барнаул: Изд-во АГАУ, 2003.-С. 90-93.

Запасы форм калия в почвах агроценозов и их прогнозная оценка // Геоэкологические проблемы почвоведения и оценки земель: Материалы научно-практической конф. (25-26 сентября 2003 г.). - Барнаул: Изд-во АГАУ, 2003,-С. 131-134.