Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Подвижность калия гранулометрических фракций дерново-подзолистых почв и чернозема

ВАК РФ 03.02.13, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Подвижность калия гранулометрических фракций дерново-подзолистых почв и чернозема"

005020296 На правах рукописи

Петрофанов Владислав Леонидович

ПОДВИЖНОСТЬ КАЛИЯ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИХ ФРАКЦИЙ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВ И ЧЕРНОЗЕМА

Специальность 03.02.13 - Почвоведение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

2 9 МАР 2012

Москва-2012

005020296

f\ !

Работа выполнена в лаборатории химии и физико-химии почв I Ну Почвенный институт им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии 1

Научный руководитель: Доктор сельскохозяйственных наук, ст.н.с. Фрид A.C.

Ведущая организация: ФГОУ ВПО Российский Государственный Аграрный

Университет - Московская Сельскохозяйственная Академия им. К.А. Тимирязева

Зашита состоится «19» апреля 2012 г. в 11— в актовом зале на заседании диссертационного совета Д.006.053.01 при ГНУ Почвенный институт им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии: г. Москва, Пыжевский пер., д. 7., стр.2

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ Почвенный институт им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии

Автореферат разослан «15» марта 2012 г.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании диссертационного совета. Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах просим направлять по адресу: 119017 г. Москва, Пыжевский пер., д. 7., стр.2. Ученый совет. Факс: (495) 951-50-37. e-mail: lubimova@agro.geonet.ru

Официальные оппоненты:

Чижикова Н.П. - док. с.-х. наук, проф., ГНУ Почвенный институт им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии, зав. лаборатории минералогии и микроморфологии почв Павлов К.В. - канд. биол. наук, факультет почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова, каф. агрохимии и биохимии растений, ассистент

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор сельскохозяйственных наук

Актуальность. Калий является одним из основных биофильных элементов, который отвечает за плодородие и производительную способность почв. Несмотря на большое количество работ, посвященных калийному состоянию почв, поведение калия в почвах остается в центре внимания почвоведов. Одной из наиболее дискутируемых является проблема формирования калий-снабжающей способности почв.

Существенное влияние на подвижность калия в почве и доступность его растениям оказывают взаимодействие между раствором и твердой фазой почв. Скорость и направление реакций между растворимым, обменным калием и калием почвенных минералов определяют судьбу калия в почве - будет ли он выщелочен в нижележащие горизонты, использован растениями или превращен в необменные, труднодоступные растениям формы. Однако, в то время как различным аспектам ионного обмена почвенного калия посвящено большое количество исследований, работы по изучению кинетики реакций калия в почве ограниченны. Существует ряд публикаций, посвященных кинетике десорбции калия из почв {Барсова и др., 1992; Соколова и др., 1999; Bugarin Montoya R. et al., 2007; Carski et al., 1985; Dhillon et al., 1989, 1990; Eick et ai, 1990; Elkhatib et ai, 1988; Jalali, 2006; Jardine et al., 1984; Martin et al„ 1983; Sparks, 1985, 1986; Srinivasarao et al., 2006), а также посвященных изучению кинетики реакций в чистых глинистых системах (Feigenbaum et al., 1981; Huang et ai, 1968, 1989; Jackson, 1964; Mortland, 1968; Pedro, 1973; Rasmussen, 1972; Reed et al., 1962; vor. Reichenbach, 1969; Rich, 1968, 1972; Schroeder, 1978; Sparks et al., 1985; Zhou, et al., 2007). Изучению же кинетики десорбции калия из гранулометрических фракций почв, где поглощающий комплекс имеет сложную структуру, в которой тесным образом связаны глинистые минералы, оксиды, органическое вещество, посвящено очень мало работ (Сох et ai, 1997; Mengel et al., 1998; Meurer et ai, 2001; Talibudeen et al. 1972). Очень небольшое количество работ (Козлова и др., 2000; Пивоварова, 1988; Сергеенко, 1986; Скоропанова, 1989, Якименко, 2003) посвящено изучению десорбции калия из гранулометрических фракций, в которых были использованы различные вытяжки (1М CH3COONH4, 0,5 н. уксусная кислота,IM HNO3, 0,01 M HCl, низкомолекулярные органические кислоты, Н- и Са-смолы, 0,01 M СаС12). Практически не изучена кинетика и динамика выхода калия из почв и их гранулометрических фракций при различных уровнях обеспеченности питательными элементами. Недостаточно данных для оценки роли отдельных гранулометрических фракций в снабжении растений этим эле,ментом.

Цель. Оценить содержание подвижных форм калия и особенности динамики его десорбции из пахотных горизонтов дерново-подзолистых почв и чернозема в целом и их гранулометрических фракций при различных системах удобрения.

Основные задачи исследования: 1) Дать оценку содержания подвижных форм калия для почв и их гранулометрических фракций; 2) Выявить долевое участие отдельных гранулометрических фракций в общем содержании подвижных форм калия; 3) Изучить динамику десорбции калия из образцов почв и гранулометрических фракций на основе использования 0,01 M раствора СаС12; 4) Изучить связь показателей калийного состояния и интенсивности десорбции со свойствами почв, гранулометрических фракций и системами удобрений; 5) оценить потенциальную обеспеченность растений калием с учетом распределения элемента по легко- и труднодоступным обменным позициям. Научная новизна.

1) Впервые изучены параметры десорбции калия из гранулометрических фракций (включая коллоидную и предколлоидную) трех почв, функционирующих в условиях длительных полевых опытов с удобрениями и различающихся по гранулометрическому составу;

2) Получены данные по содержанию подвижных форм калия гранулометрических фракций указанных почв;

3) Оценены доли калия в планарных и специфических позициях для гранулометрических фракций в зависимости от почвы и их уровня обеспеченности калием.

Практическая значимость. 1) Полученные данные позволяют оценить относительную скорость агроистощения изученных почв по калию при сельскохозяйственном использовании и гранулометрические фракции, лимитирующие этот процесс; 2) Дана количественная оценка обеспеченности изученных почв калием для минимальных и оптимальных урожайностей различных сельскохозяйственных культур с учетом распределения десорбируемого калия по различным позициям минералов гранулометрических фракций.

Апробация работы. Результаты докладывались в 2007, 2008, 2009, 2010 гг. на ученом совете ГНУ Почвенный институт им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии; на XVII международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых в 2010 г.; а также на расширенном заседании лаборатории химии и физикохимии почв в 2011 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 статьи, 1 тезисы. Из них 1 статья в реферируемом издании, рекомендуемом ВАК.

Объем и структура работы. Работа состоит из 5 глав, выводов, списка литературы из 252 источников (из них 149 на иностранных языках). Работа изложена на 155 страницах машинописного текста, в том числе содержит 25 таблиц и 11 рисунков.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность М.Ш. Шаймухаметову за доверие продолжения его трудов и идей, постановку целей и задач исследований; А.С. Фриду за неоценимую всестороннюю поддержку и помощь в рассмотрении и интерпретации полученного материала; Н.Б. Хитрову, JI.C. Травниковой за консультации, планирование, оценку работы и обсуждение ее результатов; Т.А. Соколовой, И.И. Толпеште, О.Б. Роговой, Р.Ф. Байбекову, Н.Ф. Ганжаре, Б.А. Борисову, Д.Ю. Колтыхову, В.И. Топтыгиной, А.В. Горобцу, Н.С. Никитиной, Р.В. Гришиной, А.А. Изосимову, Е.Д. Зверевой за содействие при выполнении экспериментальных работ.

Содержание работы Глава 1. Обзор развития исследования подвижности калия в почвах

На основании анализа отечественной и зарубежной литературы в главе отражены известные на данный момент сведения о роли гранулометрических фракций, их минералогического состава и применения удобрений в подвижности калия в почвах. Работы по изучению содержания калия в гранулометрических фракциях в нашей стране начаты Важениным {¡959), Горбуновым (1936, 1959) и Пчелкиным (1966). В последствии направление было поддержано Сергеенко (1986), Пивоваровой (1988), Скоропановой (1989), Козловой (2001), Якименко (2003), которые исследовали различные формы калия в гранулометрических частицах почв. Аналогичные работы по изучению содержания калия в гранулометрических фракциях проводили за рубежом МакКаллистер (McCallister, 1987), Мехди с соавт. (Mehdi et al., 1998), Ванг Ю Жанг (Wang Yu Zhang et al., 2001). Однако, если за рубежом есть работы по изучению кинетики и динамики десорбции калия из гранулометрических фракций (Talibudeen et al. 1972; Сох et al., 1997; Mengel et al., 1998; Meurer et al., 2001), в нашей стране такие данные отсутствуют. При этом, как у нас в стране, так и за рубежом до сих пор нет данных по кинетике и динамике десорбции калия из гранулометрических фракций

почв, функционирующих при разном уровне внесения удобрений и обеспеченности почв калием.

Глава 2. Характеристика объектов и методы исследований

2.1 Объекты и методы исследований

В качестве объектов исследования были использованы образцы почв пахотных горизонтов (0-20 см) трех длительных опытов с удобрениями. Все почвы, использованные в опытах, периодически известковались для поддержания нейтральной реакции среды.

1)Опыт ТСХА, заложенный в 1912 г. Д.Н. Прянишниковым на опытном поле Дояренко (дерново-подзолистая супесчаная почва). Варианты опыта на поле № 133, которые были использованы: 1. Без удобрений; 2. МООРШКШ; 3. >Г100Р150К120+ навоз (20т/га). Образцы были отобраны в 1999 году. 2) Опыт ТСХА, заложенный в 1976 г в учхозе Михайловское Подольского района Московской области (дерново-подзолистая среднесуглинистая почва). Варианты опыта: 1.Без удобрений; 2. >П08Р51К159; 3. Ш4Р13К59+ навоз (17,5 т/га). Образцы были отобраны в 2006 году. 3) Полевой опыт Петринского опорного пункта Почвенного института им.В.В.Докучаева (чернозем типичный легкоглинистый). Был заложен в 1964 году. Варианты опыта: 1. Без удобрений; 2. Ж5Р60К45; 3. Навоз (20т/га); 4. М23Р30К23+навоз (10 т/га). Образцы были отобраны в 2006 году.

Фракции меньше 0,2 мкм и 0,2-1,0 мкм выделялись путем центрифужного осаждения частиц после обработки ультразвуком при 22 кГц по Шаймухаметову. Остаток почвы, после выделения илистых фракций, разделялся на фракции: 1,0-10 мкм, 10-50 мкм, больше 50 мкм по Астапову.

Минералогический состав определялся рентген-дифрактометрическим методом для фракций меньше 10 мкм в образцах вариантов «контроль» и «КРК+навоз» и дальнейшим расчетом соотношения основных групп глинистых минералов по методике Биская (Шзкауе, 1965).

Гумус определен методом Тюрина с титриметрическим окончанием. Обменный калий определен методом Масловой. Емкость катионного обмена (ЕКО) определяли методом Шолленбергера

Для оценки динамики десорбции калия из гранулометрических фракций и почв был использован кинетический подход, предложенный Спарксом. Вытеснение калия проводилось путем десятикратной обработки образцов 0,01М СаС12 раствором в соотношении фракция-раствор - 1:100 и почва-раствор - 1:10. Легкоподвижный калий определялся по данным первой экстракции. После суточного настаивания раствор отделялся от образцов путем 5-минутного центрифугирования при ускорении не менее 1500§ с последующей декантацией раствора. Полученный раствор анализировался на содержание калия пламенно-фотометрическим способом. Десорбцию калия из образцов проводили как без предварительной обработки, так и после предварительной обработки хлористым калием. Обработка осуществлялась путем часового взбалтывания и настаивания образца в течение суток с раствором, содержащим 0,005 н. КС1 и 0,01М СаС12 (инкубирование) с последующим разделением твердой и жидкой фаз. Такая концентрация хлористого калия имитировала очень высокие дозы внесения удобрений (более 5т К+/га), а концентрация хлористого кальция аналогична по ионной силе и концентрации почвенному раствору.

Для описания динамики десорбции калия использовалось уравнение первого порядка:

1п(Со-С,)=1пСо-к<1* (1)

где Со-суммарно вытесненное количество калия, мг/100 г образца; С, - суммарно вытесненное количество калия на момент времени 1, мг/100 г образца; кй -коэффициент интенсивности десорбции; ¡-время, час

Долю калия, занимающего специфические (межпакетные) позиции определяли по методике, предложенной Талибудином, на основе графиков, построенных по уравнению параболической диффузии.

Повторность исследований-трехкратная. Полученные данные были статистически обработаны с использованием многофакторного дисперсионного анализа. Среди факторов для дисперсионного анализа использовали: размер частиц, варианты с удобрениями, варианты без/с инкубированием, почвы (по генезису). Определены значения наименьшего существенного различия при уровне значимости 0,05 (НСРо,о5) и критерий Б-Фишера для оценки существенности различий и доли влияния факторов на изменение результатов анализа.

2.2 Агрохимическая характеристика объектов исследования В разделе приводятся общие физические и агрохимические свойства гранулометрических фракций и почв (табл. 1 и 2).

Таблица 1. Общая химическая характеристика исследованных почв

рН рНка ЕКО, Содержа КгОвал, К Масл, К СаС12,

водн ммоль/ ние ила, % мг/100 г мг/100

Почва Вариант опыта Сорт % 100 г %

почвы

Дерново-подзолистая Контроль 5,34 4,6 1,5 6,8 5,3 1,94 2,2 1,2

супесчаная почва ШС 5,84 5,4 1,7 7,0 5,3 1,87 8,3 5,3

ЫРК+Навоз н/о 5,6 2,1 8Д 5,2 1,87 8,6 5,4

Дерново-подзолистая Контроль 7,16 6,7 1,6 13,9 15,9 1,99 9,1 3,2

среднесуглинистая почва №>К б,И 5,6 1,9 13,7 15,6 2,01 14,6 6,6

ЫРК+Навоз 6,48 6,0 2,4 15,0 16,5 2,03 17,8 8,4

Чернозем типичный Контроль 6,58 5,7 5,1 29,7 33,0 1,95 17,1 3,8

легкоглинисшй №К 6,37 5,6 5,3 30,6 32,7 1,91 19,9 5,3

Навоз 6,43 5,6 5,4 30,8 33,0 1,91 20,7 5,5

№>К+Навоз 6,29 5,4 5,2 30,5 32,5 1,91 23,2 6,7

Общее содержание ОВ в результате длительного применения удобрений в дерново-подзолистых супесчаных и среднесуглинистых почвах увеличивается примерно на 30% в вариантах с внесением органических удобрений. В черноземе изменение этого показателя незначительно (табл. 1). Распределение органического вещества в почвах и их гранулометрических фракциях представлено в табл. 4.

Валовое содержание калия трех почв находится в одном диапазоне 1,87-2,03% от массы почвы. Изученные почвы сильно различаются по количеству обменного калия, характеризующего уровни обеспеченности калием различных групп сельскохозяйственных культур.

Значения водного рН всех почв в диапазоне 5,3-7,2, солевого рН - в диапазоне 4,66,7.

Емкость катионного обмена изученных почв изменяется в соответствии с изменением их гранулометрического состава и содержания органического вещества: от 6,8-8,1 ммольЛООг в дерново-подзолистой супесчаной до 13,9-15,0 ммоль/ЮОг в среднесуглинистой почвах. В черноземе ЕКО достигает 29,7-30,8 ммоль/ЮОг. Содержание илистой фракции составило 5,3% для дерново-подзолистой почвы опыта Прянишникова (ТСХА), 15,6-16,5% в опыте учхоза «Михайловское» (ТСХА), 32,533,0% в опыте Петринского опорного пункта.

По полученным данным в табл. 2 можно сказать, что изучаемые почвы контрастны по гранулометрическому составу.

Таблица 2.Грануломегрический состав изученных почв.

Вариант опыта

Контроль ОТК

ОТК+Навоз

Контроль ЫРК

ЫРК+Навоз

Котроль ЫРК Навоз ЫРК+Навоз

_ Доля фракций (мкм) в почве, %

<0,2 [ 0,2-1,0 | 1,0-10 |

10-50

Дерново-подзолистая супесчаная почва

2,3 2,3 2.2

3,0 3,0 3,0

12,2 13,9 13,3

Дерново-подзолистая среднесуглинистая почва

5,9

9.2

9.3

7,0 6,4 7,2

Чернозем легкоглинистый

19,9 20,0 19,7

22,4 22,1 22,9 22,6

10,6 10,6 10,1 9,9

18,2 18,2 17,9 17.9

23,6 27,6 25,2

51,0

50.6

49.7

35,9 36,9 38,5 39.4

>50

59,0 53,3 56,3

13.2 13,8 14,0

13.0

12.1 10,7

10.3

Минералогический состав тонких фракций исследованных почв представлен в табл. 3 и на рис. 1.

Вариант опыта Размер фракции мкм Преобладаю щие минералы Распределение слоистых силикатов, % Распределение каркасных силикатов

Смешаннослойные образования ГС Ка Хл Кв ЮПИ Пл

Сл-См Хл-В, Сл-В

Дерново-подзолистая с упесчаная почва

Контроль <0,2 СС 0 39 30 22 9 _ _

0,2-1,0 сс+кс 0 31 38 21 10 ++ + ■

1,0-10 КС 0 18 39 21 22 +++ ++ ++

1Л>К+Навоз <0,2 СС 0 28 48 12 12 _ - _

0,2-1,0 СС + КС 0 21 46 25 8 ++ + +

1,0-10 КС 0 14 57 14 15 +++ ++ ++

Дерново-подзолистая среднесуглинистая почва

Контроль <0,2 СС 24 0 64 6 6 - - -

0,2-1,0 СС + КС 4 18 47 21 10 + + +

1,0-10 КС 0 15 59 9 18 +++ ++ ++

ОТК+Навоз <0,2 СС 20 0 65 9 6 _ -

0,2-1,0 СС + КС 2 8 51 26 13 + + ■

1,0-10 КС 0 12 61 12 16 +++ ++ ++

Че знозсм легкоглинистый

Контроль <0,2 СС 50 0 43 5 2 - _ -

0,2-1,0 СС + КС 0 7 70 12 10 ++ ++ ++

1,0-10 КС 0 0 81 13 6 1-++ ++ ++

ЫРК+Навоз <0,2 СС 42 0 49 7 2 - - -

0,2-1,0 СС + КС 0 0 79 13 8 ++ ++ ++

1,0-10 КС 0 0 74 18 8 +++ ++ ++

Примечание: Буквенные обозначения сокращений: СС- слоистые силикаты, КС - каркасные силикаты, Сл-См - слюда-смектит, Хл-В - хлорит-вермикулит, Сл-В - слюда-вермикулит, ГС - гидрослюда, Ка -каолинит, Хл - хлорит, Кв - кварц, КП111 - калиевые полевые шпаты, Пл - Плагиоклаз; По содержанию каркасных минералов:«-» - отсутствуют; «+» - незначительное количество,«++» - среднее количество; «+++» -большое количество.

Среди глинистых минералов наблюдаются закономерности по распределению их по вариантам опытов и размерам гранулометрических фракций.

1. Доминирующими среди глинистых минералов дерново-подзолистой супесчаной почвы являются смешаннослойные образования хлорит-вермикулитового типа. В дерново-подзолистой среднесуглинистой почве - гидрослюды и смешаннослойные образования хлорит-вермикулитового и слюда-смектитового типа. В черноземе

легкоглинистом - гидрослюды и смешаннослойные образования слюда-смектитового типа.

Дерново-подзолистая супесчаная почва

ВПК 315- 5 г ! аз

Дерново-подзолистая среднесуглинистая почва

«дозкцкщ ; } э

Черноэем легкоглинистый

-А—

ii.it I.; А , *

1Шл-Л

П гт

ЖЗУ

Фракция < 0,2 мкм

ЭШ 3555 3 $ ? 2 Фракция 0,2-1,0 мкм

5я5£3333$ 5." 2? Фракция 1,10 мкм

Рис.1 Рентгендифрактограммы гранулометрических фракций <10 мкм

Л - Исходные образцы в возлушиосухом состоянии, Б - образцы после сольватации с глицерином, В - образцы после прокаливания при 350°С. Г - Образцы после прокаливания при 550°С

2. С увеличением размера частиц увеличивается доля кварца, калиевых полевых шпатов и плагиоклаза.

3. Фракции <0,2 и 0,2-1,0 мкм варианта «№К+навоз» содержат большее количество гидрослюд по сравнению с аналогичными фракциями варианта «контроль». Это объясняется необменной фиксацией тонкими фракциями калия и аммония вносимых удобрений.

4. При переходе от почв легкого гранулометрического состава к более тяжелому отмечается увеличение содержания смектитов в коллоидных фракциях и снижение доли вермикулитов. При этом в варианте «контроль» смектитов больше по сравнению с удобренными вариантами почв.

В табл. 4 представлены данные по содержанию органического вещества в гранулометрических фракциях. В почвах оно увеличивается от самой легкой

супесчаной дерново-подзолистой почвы к легкоглинистому чернозему. Согласно данным, приведенным в табл. 4, максимальное количество органического вещества (в расчете на массу фракций) содержится во фракциях <10 мкм. В супесчаной дерново-подзолистой почве максимальное количество его обнаружено во фракции <0,2 мкм, в среднесуглинистой дерново-подзолистой почве и в черноземе - во фракции 0,2-1,0 мкм.

Таблица 4. Содержание органического вещества в гранулометрических фракциях и исходных почвах, % от массы соответствующего образца._

Почва Вариант опыта Фракции, мкм Почва в целом

<0,2 0,2-1,0 1-10 10-50 >50

Дерново-подзолистая Контроль 9,9 7,2 5,3 0,7 0,0 1,5

супесчаная почва КРК 9,1 6,4 5,7 1,1 0,6 1,7

МРК+Навоз 10,2 7,5 6,8 1,1 0,4 2,1

Дерново-подзолистая Контроль 4,2 7,5 2,8 0,3 1,5 1,6

среднесуглинистая почва КРК 4,7 7,8 3,6 0,4 0,3 1,9

МРК+Навоз 5,0 9,2 4,6 0,4 0,4 2,4

Чернозем легкоглинистый Контроль 6,8 13,5 10,6 0,8 0,5 5,1

М>К 7,0 13,4 10,5 0,7 0,7 5,3

Навоз 6,7 12,5 10,7 0,7 0,7 5,4

КРК+Навоз 7,0 12,7 10,2 0,6 0,9 5,2

В работе также оценено долевое участие фракций в содержании органического вещества почвы; на долю фракций <10 мкм приходится от 75% до 94% органического вещества почвы. В супесчаной дерново-подзолистой почве основная масса органического вещества содержится во фракции 1-10 мкм. В среднесуглинистой дерново-подзолистой почве и черноземе ОВ распределено между фракциями физической глины более равномерно. Участие гранулометрических фракций >10 мкм в содержании органического вещества почвы незначительно и уменьшается по мере увеличения доли илистой фракции в почвах от легкой супесчаной к тяжелой легкоглинистой почве.

Результаты определения емкости катионного обмена почв и их гранулометрических фракций представлены в табл. 5.

Таблица 5. Емкость катионного обмена гранулометрических фракций и почв,

ммоль/100 г образца

Почва Вариант опыта Фракции, мкм Почва в делом

<0,2 0,2-1,0 1-10 10-50 >50

Дерново-подзолистая Контроль 66 56 34 2 0,2 7

супесчаная почва ЫРК 67 53 25 4 0 7

№>К+Навоэ 74 57 37 3 1,3 8

Дерново-подзолистая Контроль 73 49 24 8 8 14

среднесуглинистая №К 70 55 19 7 7 14

почва №К+Навоз 76 57 24 5 3 15

Чернозем Контроль 86 68 59 3 0,8 20

легкоглинистый ЫРК 93 69 51 3 0,9 31

Навоз 83 75 55 3 0,7 31

№К+Навоз 88 74 52 2 0,7 31

Максимальные значения ЕКО (66-93ммоль/100г) характерны для коллоидных фракций и постепенно уменьшаются к фракциям 1-10 мкм, оставаясь, тем не менее, высокими (до 59 ммоль/ЮОг в черноземе), что связано с наличием глинистых минералов (табл. 3) в комплексе с органическим веществом (табл. 4). Более всего ЕКО связано с изменением размеров частиц.

Распределение обменного (по Масловой) и легкоподвижного (однократная вытяжка 0,01М СаС12 раствором) калия по фракциям, использованных для проведения опыта с последовательной десорбцией калия представлено в табл. 6.

Таблица 6. Формы калия в исследованных фракциях и почвах, мг К"7Ю0 г образца

Почва Вариант опыта Фракции, мкм Почва в целом

<0,2 0,2-1,0 1,0-10 (10,0-50,0| >50

Обменный калий по Масловой (1М СН3СООЫН4)

Дерново-подзолистая Контроль 55 И 5,1 0,4 0 2,2

супесчаная №К 57 12 4,4 1,0 0 8,3

ЫРК+Навоз 80 17 9,6 0,6 0 8,6

Дерново-подзолистая Контроль 83 22 3,6 0,7 0,4 9,0

среднесуглинистая ЫРК 89 27 4,0 0,6 0,4 15

ЫРК+Навоз 98 29 4,9 0,7 0,5 18

Чернозем типичный Контроль 100 21 6,2 0,7 0,3 17

легкоглинистый ЫРК 105 22 7,3 0,6 0,3 20

Навоз 104 23 6,8 0,6 0,3 21

ЫРК+Навоз 106 22 6,8 0,8 0,5 23

Легкоподвижный калий (0,01 М. СаСЬ); НСР0 05=1,6

Дерново-подзолистая Контроль 23,6 4,4 3,2 ОД 0 1,0

супесчаная ЫРК 23,4 3,4 3,3 1,4 0,5 4,6

ЫРК+Навоз 38Д 7,7 6,1 0 0,2 4,7

Дерново-подзолистая Контроль 41,7 12,3 2,7 0,3 0,1 3,4

среднесуглинистая ЫРК 47,5 16,2 3,3 0,4 0,2 7,2

почва ЫРК+Навоз 55,0 17,7 4,1 0,6 0,2 9,1

Чернозем типичный Контроль 48,3 12,6 3,3 0,3 0,1 3,8

легкоглинистый ЫРК 51,0 13,9 4,0 0,4 0,2 5,1

Навоз 50,7 15,3 3,6 0,4 0,2 5,2

ЫРК+Навоз 52,4 14,9 4,9 0,4 0,2 5,8

Корреляция между обменным калием и ЕКО

Корреляция между легкоподвижным калием и ЕКО

♦ У

♦ V

♦ /

у=0,000!1 -0.0078*г+0,2157х+0.4618 /

^=(1,818 /

» £ ^

Емкость катиокного обмена, ммоль/100 г образца

Емкость катнонного обмена, ммоль/100 г образца

Корреляция между обменным и легколодвнжным калием

Рнс.2 Корреляционные зависимости между ЕКО, обменным и легкоподвижным калием почв п гранулометрических фракции.

Содержание легкоподвижного калия, мг К+/100 г обрата

Содержание обменного калия примерно вдвое больше по сравнению с легкоподвижным, как для образцов почв, так и гранулометрических фракций. При этом закономерности распределения элемента по фракциям сохраняются для обеих форм элемента. Значительное содержание калия отмечено во фракциях меньше 10 мкм. Максимальное содержание калия установлено для фракций коллоидов (около 100 мг/100 г для обменной форме и 50 мг/100 г для легкоподвижной формы элемента в черноземе). Содержание калия в предколлоидной фракции по сравнению с коллоидами

в 3-5 раза меньше: от 11,2 до 29,0 мг/100 г образца в обменной форме; от 3,4 до 17,7 мг/100 г образца в легкоподвижной форме. Содержание калия во фракции 1-10 мкм от 3,6 до 7,3 мг/100 г образца в обменной форме; от 2,7 до 6,1 мг в легкоподвижной форме, что в 10-15 раз меньше, чем для фракции меньше 0,2 мкм.

Корреляционные зависимости на рис. 2 отражают тесную взаимосвязь между ЕКО и содержанием легкоподвижного и обменного калия. Применение удобрений, как фактора, влияющего на изменение содержания калия, а также тип почвы в данном случае имеют меньшее значение. Более подробно этот вопрос рассматривается в разделе 4.6.

Глава 3. Сорбционные свойства почв и их гранулометрических фракций в отношении калия

3.1 Сорбция калия почвами и гранулометрическими фракциями

Таблица 7. Количество калия, сорбированного фракциями и почвами в результате инкубирования с раствором 0,005н. КС1 в 0,01М СаС12 в течение суток, мг К+/100 г образцу____

Вариант Фракции (мкм) Почва в целом

<0,2 0,2-1,0 1-10 10-50 >50

Дерново-подзолистая супесчаная почва

Контроль 322 276 43 93 64 30

ЫРК 297 203 4 46 31 24

НРК+навоз 245 168 40 3 23 19

Дерново-подзолистая средяесуглинистая почва

Контроль 291 195 74 7 3 56

ЫРК 277 177 74 28 32 46

ЫРК+навоз 311 197 73 33 37 46

Чернозем легкоглииистый

Контроль 342 212 121 38 40 90

ЫРК 347 187 138 34 14 84

Навоз 320 175 126 34 12 83

ЫРК+навоз 299 159 122 13 6 78

Примечание: Значения НСРо.оз (здесь и далее в скобках: существенность (+) и не существенность (-) различий, оцененная с использованием критерия И-Фишера и доля влияния фактора в %): по почвам - 15 мг К.7100 г (+, 1%); по фракциям - II мг К*/100 г (+, 91%); по вариантам удобрений - 15 мг К7100 г (+, 1%); по повторностям 26 мг К+/100 г (-); средняя ошибка среднего -9 мгК7100 г; относительная ошибка среднего - 8%.

При сравнении сорбционных свойств почв в целом прослеживается четкая зависимость увеличения сорбции калия от легкой к самой тяжелой. Однако при рассмотрении входящих в их состав гранулометрических фракции прослеживаются иные закономерности, не связанные с общей тенденцией для почв целом (табл.7).

Наибольшей способностью к поглощению калия обладают фракции <10 мкм. При этом максимум ее приходится на коллоиды, минимум - на фракцию 1-10 мкм. Существенно ниже способность к закреплению калия во фракциях >10 мкм, однако доля этих фракций в почве составляет около 80% в дерново-подзолистой супесчаной почве, чуть более 60% в дерново-подзолистой среднесуглинистой почве и около 50% в черноземе.

В результате статистического анализа подтверждено, что среди исследованных почв именно различие образцов по размеру частиц является самым важным фактором дифференциации по количеству сорбированного калия. Влияние вариантов, связанных с системами удобрений и типом почв небольшое (примечание к табл. 7).

3.2 Долевое участие гранулометрических фракций в сорбционной способности почв в отношении калия

Долевой вклад фракций в закреплении калия почвой оценен с учетом доли каждой из них в почве (табл. 8). Поглотительная способность фракций крупнее 10 мкм

невелика, однако, с учетом их массы в почве видно, что доля сорбированного почвой калия, приходящаяся на фракцию 10-50 мкм, варьирует в пределах 2-30% - для дерново-подзолистой супесчаной почвы, 6-21% - для дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы и 4,7-10 % - для чернозема. Доля поглощенного калия, приходящаяся на фракцию крупнее 50 мкм, в дерново-подзолистой супесчаной почве -39-47%, в дерново-подзолистой среднесуглинистой почве - 0,6-6,6%, в черноземе находится в пределах 1,0-4,7 %.

Вариант Образцы фракций (мкм)

<0,2 0,2-1,0 1-10 10-50 >50

Дерново-подзолистая супесчаная почва

Контроль 9,2 10 6,4 27 47

№К 16 14 1.4 29 39

]ЧРК+навоз 19 17 18 2,3 44

Дерново-подзолистая среднесуглинистая почва

Контроль 45 23 25 5,9 0,6

№К 36 16 21 20 6,3

№К+навоз 37 18 18 21 6,6

Чернозем легкоглинистай

Контроль 55 16 16 9,9 3,7

ОТК 56 15 19 9,2 1,3

Навоз 57 14 18 10 1,0

МРК+навоз 61 14 20 . 4,7 0,6

Примечание: Значения НСРо,о5'. по почвам - 8% (-); по фракциям - 7% (+, 25%); по вариантам е удобрениями -8% (-); по повторностям 15% (-); средняя ошибка среднего - 5%; относительная ошибка среднего - 26%

Глава 4. Десорбционные свойства почв и их гранулометрических фракций в отношении калия

4.1 Десорбционные свойства фракций и почв

В табл. 9 приведены данные по суммарно вытесненному количеству калия раствором 0,01М СаС12 в результате проведения опыта по динамике десорбции элемента. Опыт по последовательной порционной десорбции калия проводился как с образцами без предварительного насыщения калием, так и с образцами после насыщения изучаемым элементом в результате инкубирования.

При сравнении результатов опыта без инкубирования в образцах фракций и исходных почв в целом, были отмечены закономерности, аналогичные результатам определения обменного и легкоподвижного калия (табл. 6). Наибольшее количество калия в обоих типах почв вытесняется из фракций меньше 10 мкм. Из фракций больше 10 мкм вытеснение калия не существенно.

Результаты опыта по десорбции показали, что большая часть калия высвобождается за первые 2-3 экстракции (70-80%). Характер кривых десорбции отражает закономерности изменения интенсивности десорбции калия. Следует еще отметить, что коллоиды способны, как к большему насыщению калием, так и самой большей отдаче его.

В результате инкубирования вытеснение калия в образцах увеличивается в несколько раз. Однако закономерности распределения минимальных и максимальных значений среди разных по размеру гранулометрическими фракциями сохраняется. Так, после инкубирования с калием из коллоидной фракции высвобождается максимальное количество калия. Для образцов из дерново-подзолистой супесчаной почвы оно составило 340-430 мг/100 г, из дерново-подзолистой среднесуглинистой - 304-320 мг/100г фракции, из чернозема - 350-360 мг/100г фракции. По мере укрупнения частиц количество калия, десорбированного из фракций, уменьшается.

В результате инкубирования минимальное значение суммарно вытесненного калия, не во всех фракциях может быть отнесено к варианту «контроль».

Таблица 9. Количество калия, высвободившегося в результате 10-ти кратной последовательной десорбции 0,01 М СаС12, мг КУЮО г образца_1_

Почвы Варианты Фракции, мкм Почва в целом

<0,2 0,2-1,0 1-10 10-50 >50

Неинкубированные образцы

Дерново-подзолистая Контроль 43,6 8,6 5,6 0,5 0,1 1,8

супесчаная почва МРК 46,5 13,2 6,7 1,8 1,0 8,5

МРК+Навоз 73,1 19,6 11,8 0,6 0,8 8,6

Дерново-подзолистая Коотроль 73,5 20,3 3,9 0,3 0,1 7,3

среднесуглинистая почва МРК 81,6 26,7 5,3 0,5 0,2 14,2

МРК+Навоз 93,3 29,5 6,6 0,7 0,2 17,8

Чернозем типичный Контроль 94,2 23,4 6,0 0,4 0,1 12,2

легкоглинистый МРК 101,9 31,0 7,5 0,5 0,3 16,7

г!авоз 100,7 31,0 6,3 0,6 0,3 16,9

МРК+Навоз 103,0 26,0 8,7 0,5 0,3 19,8

Образцы с предварительной инкубацией

Дерново-подзолистая Контроль 339,4 240,5 140,9 20,9 4,3 35,1

супесчаная почва МРК 377,9 220,8 95,2 24,6 8,6 49,1

МРК+Навоз 430,2 304,6 142,8 23,4 6,2 49,2

Дерново-подзолистая Контроль 321,1 186,2 59,6 6,8 1,9 47,3

среднесуглинистая почва ЫРК 304,2 171,4 52,9 6,7 3,1 51,0

МРК+Навоз 309,9 183,6 57,5 7,2 3,6 53,1

Чернозем типичный Контроль 359,9 161,1 85,0 9,7 0,8 78,3

легкоглннистый МРК 359,5 157,2 87,3 9,6 3,5 81,1

Навоз 357,1 154,4 82,5 9,3 3,7 80,9

МРК+Навоз 350,8 149,2 86,9 8,6 3,6 81,6

Примечание. Значения НСРода: по почвам - 3,7 мг К7Ю0 г (+, 0,4%); по вариантам с предварительным инкубированием - 4,5 мг К+/100 г (+, 23%); по фракциям - 2,6 мг К7100 г (+, 51,1%); по вариантам с удобрениями-3,7 мг К.7Ю0 г (+, <0,1%); по повторностям 6,4 мг К7100 г (-); средняя ошибка среднего - 2,3 мг К7100 г; относительная ошибка среднего - 3,3%

4.2 Десорбируемость нашивного калия из почв и их гранулометрических фракций

Одним из дискуссионных вопросов по десорбции калия по свидетельству Медведевой (Медведева и др., ¡983) и Дилона фЫИоп & а!., 1989) является вопрос о влиянии вносимого калия на дополнительный выход калия самой почвы. Такой калий Дилон называет нашивным. Для определения количества высвобождающегося нативного калия после инкубирования мы используем формулу:

К„ат=Ксв- К^, где (2) где Кнат - количество нативного калия, десорбированного из почвы или ее гранулометрических фракций, мг/100 г образца; Ксв- суммарно вытесненное количество калия из предварительно инкубированных образцов в результате 10-ти кратной обработки 0,01М СаС12 раствором, мг/100 г образца; Кс0рб - количество калия, сорбированного образцами в результате инкубирования, мг/100 г образца.

Результаты по извлекаемому нативному калию из образцов гранулометрических фракций и почв после инкубирования приведены в табл. 10.

Положительные значения в табл.10 свидетельствуют, о том, что в результате инкубирования последующий процесс экстрагирования позволяет вытеснить нативный калий образцов помимо того количества, которое было предварительно сорбированно. Однако, полученные отрицательные значения показывают, что после 10-ти кратной экстракции калия из предварительно инкубированных образцов дополнительное

высвобождение нативного элемента может не происходить. При этом отрицательные значения свидетельствуют о произошедшей фиксации калия. Таким образом, можно отметить, что при внесении дополнительного количества калия его фиксация во фракциях <0,2 мкм в основном не происходит. А в легкой почве, сравнивая данные с табл. 9, кроме того наблюдается еще и дополнительное вытеснение нативного калия. Гранулометрические фракции >0,2 мкм дерново-подзолистой среднесуглинистой и чернозема легкоглинистого, а так же частицы дерново-подзолистой супесчаной почвы >10 мкм фиксируют калий, который был предварительно внесен при инкубировании.

Таблица 10. Рассчитанное количество нативного калия, вытесненного после

Варианты Фракции, мкм Почва

<0,2 0,2-1,0 1,0-10,0 10,0-50,0 >50

Дерново-подзолистая супесчаная почва

Контроль 18 -36 98 -73 -60 5

ЫРК 81 17 91 -21 -23 25

ЫРК+наваз 185 137 103 21 -16 30

Дерново-подзолистая среднесуглинистая почва

Контроль 30 -8 -15 0 -1 -9

ЫРК 27 -6 -21 -22 -29 5

ЫРК+навоз -13 -16 -26 -33 7 52

Чернозем легкоглинистый

Контроль 18 -51 -36 -29 40 -12

ЫРК 13 -30 -51 -24 -И -3

Навоз 37 -21 -43 -25 -9 -3

ЫРК+навоз 52 -9 -35 -5 -3 4

Примечание. Значения НСР0,05: по почвам - 3,7 мг К+Л00 г (+, 0,4%); по фракциям - 2,6 мг К7100 г (+, 51,1%); по вариантам с удобрениями - 3,7 мг К7100 г (+, <0,1%); по повторностямб,4 мг К+/100 г (-); средняя ошибка среднего - 2,3 мг К+/100 г; относительная ошибка среднего - 3,3%

4.3 Долевое участие гранулометрических фракций в десорбируемости калия из почв

Тябпипя 11. Лппя йтякпий в лесопбпии кяпия ич почтил. %

Варианты Образцы фракций без инкубирования с Образцы фракций, инкубированные с калием,

калием, мкм мкм

<0,2 0,2-1,0 1-10 I 10-50 1 >50 <0,2 0,2-1,0 1-10 10-50 >50

Дерново-подзолистая супесчаная почва

Контроль 47,1 12,0 31,7 5,8 3,4 19,8 18,1 43,2 12,4 6,4

ЫРК 30,9 11,6 27,4 14,7 15,4 21,5 16,5 33,4 17,1 11,5

ОТК+навоз 34,4 12,3 33,4 9,8 10,2 20,4 19,2 40,5 12,6 7,4

Дерново-подзолистая среднесуглинистая почва

Контроль 73,5 15,9 8,6 1,8 0,2 50,1 22,8 20,7 6,0 0,4

ЫРК 71,2 16,3 10,0 2,3 0,2 52,3 20,6 19,9 6,4 0,8

ЫРК+навоз 69,6 17,0 10,5 2,6 0,3 50,3 ' 23,0 19,7 6,2 0,9

Чернозем легкоглинистый

Контроль 84,9 10,0 4,4 0,6 0,1 69,1 14,6 13,3 3,0 од

ЫРК 82,2 12,1 5,0 0,7 0,1 68,5 14,4 13,7 3,0 0,4

Навоз 83,6 11,4 4,1 0,8 0,1 70,4 13,5 12,7 3,1 0,3

ЫРК+навоз 84,3 9,3 5,7 0,7 0,1 70,0 13,0 13,7 3,0 0,3

Примечание: Значения НСРл.о;: по почвам -1,4% (-); по вариантам с предварительным инкубированием - 1,7% (-); по фракциям -1,1 % (+, 72%); по вариантам с удобрениями - 1,4% (-); по повторностям 2,4% (-); средняя ошибка среднего - 0,9%; относительная ошибка среднего - 4,3%

Описанные выше свойства фракций служат источником для понимания их вклада в калийный режим почвы в целом. С учетом доли каждой фракции в почве были получены данные по долевому участию фракций в процессе высвобождения калия из почв (табл. 11). Так же как и при сорбционных процессах, от самой легкой почвы к

самой тяжелой по гранулометрическому составу наблюдается увеличение участия в десорбции калия гранулометрической фракции <0,2 мкм. При внесении калия (инкубирование) показано, что наиболее заметные изменения долевого участия происходит во фракциях <0,2 мкм (уменьшение доли) и 1-10 мкм (увеличение доли).

4.4 Зависимость изменения коэффициентов селективности калия от доли калия в емкости катионного обмена

Исходя из представленных графиков на рис.3, значения коэффициентов селективности калия по отношению к кальцию по Талону, рассчитанные для образцов гранулометрических фракций и почв без предварительного инкубирования с калием, для всех вариантов опыта с удобрениями и по всем повторностям практически ложатся на одну кривую. В то же время, в результате инкубирования с калием наблюдается два процесса: 1) смещение кривых в сторону большей насыщенности ЕКО калием; 2) увеличение максимальных значений Кг. Первый процесс объясняется дополнительной сорбцией внесенного калия; второй процесс, возможно, обусловлен описанным Дилоном (И¡¡Шоп е/ а!., 1989) воздействием вносимого калия на полимерные соединения Ре и А1, что приводит к открытию ранее недоступных высокоселективных позиций.

Фракция < 0,2 мкм

» >.600

г °

г Е 500 2 о <00

■е- =

£? зоо

о и X О

г 1200 £ 5 юо

я ^

= 5 о

Фракция 0,2-1,0 мкм

0 2 4

Доля калия от емкости катнонного обмена, %

*

ж".- X**

____¿Ьсгг ..

-X*-

0 1 2 3 4 5

Доля калия от емкости катионного обмена, %

Фракция 1-10 мкм

0 12 3 4

Доля калия от емкости катионного обмена, %

Почва

>,100 5 90

I 80

и 70

0

. с 60 ■; 50

1 40 £ 30 § 20 Ц ю о о

I-ф

-СД

у *__

0 2 4 6 8

Доля калия от емкости катионного обмена, %

Рис.З Зависимость коэффициентов селективности по Гапону (ось ординат) от доли калия в емкости катионного обмена (ось абсцисс) на примере образцов чернозема легкоглинистого.

Условные обозначения образцов различных вариантов опытов с удобрениями: ♦ Контроль без инку бирования X Контроль после инкубирования

□ М'К без инкубирования Ж М'К после инкубирования

А Навоз без инкубировании — Навоз после мнкубпровапии

О ^К+навоз без инкубирования + ^К+навоз после инкубирования

Образцы вариантов полевого опыта с удобрениями, включая «контроль», без инкубирования с калием, дают близкие друг к другу кривые. В лабораторном же опыте с внесением калия кривые для разных вариантов с удобрениями расходятся. Это

характерно и для гранулометрических фракций, и для почв в целом. Полученный экспериментальный материал позволяет сделать вывод, что равновесие ионного обмена калия и кальция между твердой и жидкой фазами в почвах в данных лабораторных условиях не достигается. Длительный период взаимодействия калийных удобрений с твердой фазой почв, такой как в полевых условиях, приводит систему почва-раствор в более равновесное состояние.

Среди трех почв, как без инкубирования, так и в результате проведенного инкубирования, наибольшее варьирование значений Кг отмечено для дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы, самое меньшее - для дерново-подзолистой супесчаной почвы. Значение Кг для легкоглинистого чернозема близки к значениям для дерново-подзолистой супесчаной почвы. С увеличением доли калия в ЕКО значения коэффициента селективности снижается. При этом наиболее резкие изменения значений Кг происходят при доле калия от ЕКО меньше 1%.

При рассмотрении гранулометрических фракций < 10 мкм более четкие закономерности отмечены при уменьшении размера частиц и при переходе от более легкой по гранулометрическому составу почвы к более тяжелой. Так же как для почвенных образцов, для гранулометрических фракций в результате инкубирования значения коэффициентов селективности увеличиваются. По мере увеличения размеров гранулометрических фракций доля калия от ЕКО, при которой прекращается резкое падение значений Кг, уменьшается.

Полученные данные требуют дальнейшего более глубокого изучения.

4.5 Описание динамики десорбции калия с использованием уравнения первого порядка

Таблица 12. Средние значения коэффициентов интенсивности десорбции за весь цикл вытеснения калия, к^, 10"2-ч"'_

Вариант опыта Образцы без инкубирования с калием Образцы, инкубированные с калием

Фракции, мкм Почва в целом Фракции, мкм Почва в целом

<0,2 0,2-1,0 1-10 10-50 >50 <0,2 0,2-1,0 1-10 10-50 | >50

Дерново-подзолистая супесчаная почва

Контроль 2,219 2,134 1,901 0,6 0,7 2,020 2,811 3,343 2,654 5,0 4,2 2,863

NPK 1,924 1,689 1,836 3,8 1,6 1,913 2,694 2,689 2,413 4.6 6,7 2,517

МРК+навоз 1,928 1,559 1,812 2,2 1,4 1,901 2,565 2,616 2,553 6,6 7,5 2,503

Дерново-подзолистая среднесуглинистая почва

Контроль 2,280 2,202 1,903 - 7,4 2,060 2,568 1 2,748 2,651 8,9 9,0 2,459

NPK- 2,242 2,232 1,912 7,4 9,3 2,137 2,495 2,588 2,455 7,1 8,8 2,370

NPK+навоз 2,271 2,172 2,103 9,4 6,6 2,152 2,478 2,555 2,494 8,0 7,6 2,343

Чернозем легкоглинистый

Контроль 1,877 1,574 1,800 3,7 8,0 1,552 2,187 1,835 2,049 6,6 5,9 1,859

NPK 1,838 1,452 1,560 3,4 4,5 1,574 2,178 1,812 2,012 6,1 6,8 1,848

Навоз 1,858 1,713 1,917 3,0 2,0 1,579 2,154 1,906 2,103 5,4 14,0 1,842

NPK+навоз 1,849 1,614 1,749 3,6 4,4 1,561 2,121 1,975 2,011 5,0 5,1 1,823

Примечание: Значения HCP0,os:

1. Для образцов почвы в целом и фракций меньше 10 мкм: по почвам - 0,050 -Ю^-ч'1 (+, 35,5%); по вариантам без/с инкубированием - 0,061 -10 -ч''(+, 39,8%); по фракциям - 0,043 •10"2-ч"'(+, 2,8%); по вариантам с удобрениями - 0,050 ■10'2 ч"1(+, 2,3%), средняя ошибка среднего- 0,031-10"2-ч"1; относительная шибка среднего-1,4%;

2. Для фракций больше 10 мкм: по почвам - 1,5 •10"2-ч'1(+, 30%); по вариантам без/с инкубированием - 1,8 ■10"2ч"' (+, 16%); по фракциям - 1,8 •10"2-ч"'(+, 2%); по вариантам с удобрениями -1,5 ■1(Г1-ч"1(-); средняя ошибка среднего - 0,9-10"2'Ч , относительная ошибка среднего - 16%.

Использование динамического метода исследования позволило определить то, насколько легко гранулометрические фракции высвобождают калий почвы.

Процесс десорбции калия во фракциях меньше 10 мкм и для образов почв в целом хорошо аппроксимируется кинетическим уравнением первого порядка (7^=0,98-0,99).

Для фракций больше 10 мкм коэффициент корреляции варьирует сильнее (Л2==0 770,98).

Данные по коэффициентам интенсивности десорбции приведены в табл. 12. Очевидно, что в целом есть большая разница в интенсивности десорбции калия между гранулометрическими фракциями <10 мкм и >10 мкм. Значения ка для фракций <10 мкм, как правило, ниже. Для неинкубированных образцов диапазон значений от 1,45 до 2,28 хЮ^ч"1, для инкубированных - от 1,81 до 3,34 х10"2ч''. Для фракций >10 мкм варьирование коэффициентов больше - от 0,57 до 9,42 х! 0~2ч"' - для неинкубированных образцов и от 4,22 до 14,03 х10"2ч'' - для инкубированных с калием образцов. В основном, высвобождение калия из гранулометрических фракций >10 мкм происходит намного быстрее, чем из гранулометрических фракций <10 мкм. Прежде всего, это связанно с присутствием глинистых минералов в более мелких фракциях по сравнению с более крупными. Получено также, что интенсивность десорбции калия в результате инкубирования увеличивается.

Для почвенных образцов в целом, как в вариантах без инкубирования, так и с инкубированием отмечается близость значений кл к средним значениям коэффициентов интенсивности десорбции для фракций меньше 10 мкм. Это указывает на то, что основная роль в обеспечении растений принадлежит именно данным фракциям; именно они поддерживают уровень интенсивности десорбции калия для почвы в целом.

4.6 Описание динамики десорбции калия с использованием модели параболической диффузии

Распределение калия по планарным и специфическим позициям гранулометрических фракций и почв в целом представлено в табл. 13.

Таблица 13. Доля калия, занимающего специфические позиции, %

Вариант опыта Образцы без инкубирования с калием Образцы, инкубированные с калием

Фракции, мкм В целом по почве Фракции, мкм В целом по почве

<0,2 0,2-1,0 1-10 10-50 >50 <0,2 0,2-1,0 1-10 10-50 >50

Дерново-подзолистая супесчаная почва

Контроль 16,0 17,2 18,3 0,0 0,0 21,6 3,5 2,0 3,3 0,0 0,0 3,3

ЫРК 23,9 50,8 25,6 0,0 0,0 26,3 4,5 4,4 4,9 0,0 0,0 6,3

№>К+навсз 23,1 49,7 27,0 0,0 0,0 26,3 5,3 4,9 4,0 0,0 0,0 6,3

Дсрново-подзолистая суглинистая почва

Контроль 10,3 11,4 12,7 0,0 0,0 18,6 4,5 2,8 2,3 0,0 0,0 6,7

ОТК 11,2 11,5 16,8 0,0 0,0 14,9 5,0 3,6 3,2 0,0 00 7,8

№К+навоз 10,7 12,2 13,8 0,0 0,0 14,7 5,2 3,9 3,2 0,0 0,0 8,6

Чегаозем легкоглинистый

Контроль 25,6 41,7 27,8 0,0 0,0 55,8 Н,6 15,5 9,2 0,0 0,0 29,1

№К 27,2 51,8 44,1 0,0 0,0 53,8 12,1 17,4 10,2 0,0 0,0 29,2

Навоз 26,5 30,0 20,4 0,0 0,0 53,8 12,4 13,5 8,1 0,0 0,0 29,7

ШС+навоз 26,8 33,8 27,1 0,0 0,0 55,9 13,0 12,3 9,6 0,0 0,0 30,2

Расчеты производились путем вычисления количества калия, занимающего пленарные позиции, с помощью графического представления диффузионной модели. В качестве примера вычислений приводится рис. 4. Экстраполяция прямолинейного участка после изгиба кривой на ось ординат дает значение вытесненного калия с планарных позиций. Разность между суммарно вытесненным калием и количеством калия на планарных позициях позволяет узнать количество калия, которое занимают специфические позиции. К специфическим позициям относятся межпакетное пространство слоистых силикатов, сколы, нескомпенсированные заряды кластогенных силикатов, в частности полевых шпатов. Во фракциях >10 мкм специфические позиции не выявлены. Больше всего доля калия в специфических позициях - в легкоглинистом черноземе, как в образцах без инкубирования, так и после инкубирования. Для дерново-подзолистых почв влияние гранулометрического состава не однозначно.

Дерново-подзолистая срсднссуглиннстая почва, вариант "контроль" без инкубировании

у=0,5146х+65,557

у=0,1487х+17,996

у=0,0874х+5,9543 * Л л ****у=0,0314х+3.3563

10 15 20

Образцы: Фракция <0,2 мкм Фракция 0,2-1,0 мкм Фракция 1-10 мкм Почва

I , час

Рис. 4. Динамика десорбции калия в координатах диффузионной модели

В результате инкубирования доля калия в специфических позициях, как для фракций, так и для почв в целом уменьшается.

В связи с описанным распределением калия по планарным и специфическим позициям имеет смысл вернуться к вопросу корреляции между легкоподвижньм и обменным калием, представленным на рис. 2, но уже в более подробном рассмотрении.

На рис. 5 приводятся корреляционные зависимости для каждой гранулометрической фракции в отдельности и для образцов почв.

Корреляция между обменным н легкоподвижным калием

Образцы: Фракция <0,2 мкм Фракция 0,2-!,О мкм 4 Фракция 1-10 мкм х Фракция 10-50 мкм ж Фракция >50 мкм • Почва

<0 20 30 40 50 60 Содержание легкоподвижного калия, мг К+/100 г образца

Рис. 5 Корреляция между обменным и легкоподвижным калием для образцов всех трех почв

Исходя из рис. 5 очевидно, что наибольшая корреляция между легкоподвижным и обменным калием наблюдается для фракций < 0,2 и 0,2-1,0 мкм. Корреляционная зависимость для фракций 1-10 мкм слабее, но остается достаточно высокой. Однако для почвенных образцов в целом значение коэффициента корреляции невысоко. Таким образом, основные закономерности связи между легкоподвижным и обменным калием относятся к илистой фракции. Коэффициент регрессии при переменной х отражает во сколько раз больше обменного калия в образцах по сравнению с легкоподвижным. Свободный член уравнения позволяет оценить среднее значение разницы между содержанием обменного и легкоподвижного калия. Стоит отметить, что эта разница близка средним значениям количества калия, занимающего специфические позиции.

Глава 5. Возможности практического применения результатов исследования

5.1 Дифференцированная оценка запасов обменного калия в почвах с учетом интенсивности десорбции

В соответствии с проведенной работой предпринята попытка сопоставить запасы калия в почве с реальным потреблением элемента сельскохозяйственными культурами. Таблица 14 отражает запасы калия в почве при пересчете на 1 га пашни для слоя 20 см и при плотности 1,4 т/м3 для дерново-подзолистой супесчаной почвы и 1,2 т/м3 - для дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы и легкоглинистого чернозема.

Таблица 14. Запасы обменного калия (Ю) в исходных образцах почв с учетом

гранулометрического состава и интенсивности десорбции, кг/га

Положение калия в Вариант опыта Фракции, мкм Почва в целом

гранулометрических фракциях <0,2 0,2-1,0 1-10 10-50 >50 Сумма по фракциям

Калий планарных позиций (быстро десорбирующийся)

Дерново-подзолистая Контроль 21 7 15 4 2 49 47

супесчаная почва NPK 22 6 20 14 15 75 187

NPK+навоз 35 8 32 13 13 101 188

Дерново-подзолистая Контроль 141 30 16 4 1 191 143

среднесуглинистая NFK 159 36 21 6 1 223 290

почва NPK+навоз 187 45 27 8 1 267 364

Чернозем Контроль 376 34 19 4 0 434 130

легкоглинистый NPK 394 38 18 5 1 455 186

Навоз 406 53 22 6 1 486 188

NPK+навоз 409 41 27 5 1 482 210

Калий специфических позиций (медленно десорбир гсощийся 11 13

Дерново-подзолистая Контроль 7 1 4 0 0

супесчаная почва NPK 7 6 7 0 0 20 66

NPK+навоз 10 8 12 0 0 30 67

Дерново-подзолистая Контроль 17 4 2 0 0 23 33

среднесуглинистая NPK 20 5 4 0 0 29 51

почва NPK+навоз 22 6 4 0 0 33 63

Чернозем Конгроль 130 25 7 0 0 162 164

легкоглинистый NPK 147 41 14 0 0 202 215

Навоз 146 22 6 0 0 174 218

NPK+навоз 150 21 10 0 0 181 266

Суммарное количество калия 60 60

Дерново-подзолистая Контроль 2S 7 19 4 2

супесчаная почва NPK 29 11 26 14 15 94 253

NPK+навоз 45 16 44 13 13 131 255

Дерново-подзолистая Контроль 158 34 18 4 1 214 175

среднесуглинистая NPK 179 41 26 6 1 1 252 340

почва NPK+навоз 210 51 31 8 301 427

Чернозем Контроль 506 59 26 4 0 595 294

легкоглинистый NPK 541 79 33 5 1 658 401

Навоз 553 75 27 6 1 662 406

NPK+навоз 558 62 38 5 1 662 476

Наиболее доступным калием в почвах является калий планарных позиций, калий специфических позиций относится, согласно Медведевой, к труднодоступной части обменного калия. Дисбаланс по обменному калию между суммой по фракциям и высвобожденным из ненарушенного почвенного образца может быть обусловлен на легких дерново-подзолистых почвах потерей незакрепленного в почве калия в результате процедур фракционирования и осаждения коллоидной фракции; в результате часть калия перешла в раствор. Для чернозема эта разница объясняется наличием калия на планарных позициях, которые в результате агрегирования минералов была защемлена в внутриагрегатном пространстве. Вследствие этого калий не мог быть извлечен в раствор.

Культура Вынос калия Минимальный урожай Оптимальный урожай

(К4] на 1 н основной продукции с учетом Вынос калия (К+) с 1 га (кг) с урожаем, ц' Обеспеченность почв калием Вынос калия ' К') с 1 га (кг) с урожаем, ц1 Обеспеченность почв калием

побочной с 1га, кг А Б В А Б В

Озимая ншенина 2,1 29,4 14 1 1 1 63.105 30' 50 1 1 1

2 2 2 2 2 2

3 3 3 3 3 3

Яровая пшеница 26,6 14 1 1 1 57 30 1 1 1

1,9 2 2 2 2 2 2

3 3 3 3 3 3

Озимая рожь 33 15 1 1 1 77 35 1 1 1

2,2 2 2 2 2 2 2

3 3 3 3 3 3

Ячмень 25,5 15 1 1 1 59,5 35 1 1 1

1,7 2 2 2 2 2 2

3 3 3 3 3 3

Овес 26,4 12 1 1 1 55 25 1 1 1

2,2 2 2 2 2 2 2

3 3 3 3 3 3

Кукуруза на зерно 36,4 14 1 1 1 130 50 1 1 1

2,6 2 2 2 2 2 2

3 3 3 3 3 3

Просо 32,4 12 1 1 1 67,5 25 1 1 1

2,7 2 2 2 2 2 2

3 3 3 3 3 3

Гречиха1 25,6 8 1 1 1 64 20 1 1 1

3,2 2 2 2 2 2 2

3 3 3 3 3 3

Лен-долгунец 40,6 7 1 1 1 75,4 13 1 1 1

5,8 2 2 2 2 2 2

3 3 3 3 3 3

Подсолнечник на 50 5 1 1 1 250 25 1 1 1

семена 10,0 2 2 2 2 2 2

3 3 3 3 3 3

Картофель 84 120 1 1 1 210 300 1 1 1

0,7 2 2 2 2 2 2

3 3 3 3 3 3

Свекла сахарная 84 120 1 1 1 210 300 i 1 1

0,7 2 2 2 2 2 2

3 3 3 3 3 3

Примечание: 1-значение над чертой - количество калия (К+), выносимою с урожаем, указанным под чертой; 2 - культуры, способные извлекать калии из необменных форм. Почвы: А - Дерново-подзатистая супесчаная почва, Б - Дерново-подзолистая суглинистая почва, В - чернозем легкоглинистый; Варианты с удобрениями: 1 - «контроль», 2 - «\РК», 3 - «ЫРК+навоз»; Обеспеченность калием (по цветовой градации путем сравнения запасов калия в почве в целом из тайт. 23 и выносом калин с урожаем (табл. 24)): !е,к ш,ш -достаточно калин пленарных позиций, г.:; - достаточно калия при условии мобилизации из специфических позиций, красный - требуется вносить дополнительно калий.

Различия значений калия специфических позиций между суммой по фракциям и соответствующими значениями для почвенных образцов ненарушенного состава так же может иметь объяснение. Для всех трех почв в данном случае может быть только одна причина. Из гранулометрических фракций в результате десорбции калий извлекается

только из межпакетного пространства. В результате последовательной десорбции калия из почвенных образцов, элемент был извлечен не только из межпакетных позиций, но и из планарных позиций, которые были заблокированы при внутриагрегатном взаимодействии. В результате периодического перемешивания образцов внутриагрегатные связи могли быть разрушены, что позволило извлечь калий из планарных позиций, находившихся в заблокированном положении. Некоторой аналогией такому перемешиванию можно считать распашку почв, когда боронование и дискование обуславливает разбиение крупных комков почв и создание оптимальных для питания растений по размеру почвенных агрегатов.

Для сопоставления количества калия, доступного для питания, с реальным выносом культур составлена табл. 15

В соответствии с ней для получения минимальных урожаев для всех почв и культур, кроме картофеля и свеклы (в варианте «контроль» супесчаной почвы), достаточно легкоподвижного калия. Для получения оптимальных урожаев на некоторых почвах и их вариантах в исследованных длительных полевых опытах требуется либо мобилизация калия из труднодоступных позиций, либо дополнительное внесение калия, что отмечено желтым и красным цветами соответственно.

5.2 Оптимальные параметры содержания калия в почвах.

Дозы калийных удобрений можно определить по изотермам сорбции калия, зная по нормативам диапазон оптимальных значений легкоподвижного, либо обменного калия. По легкоподвижному калию оптимальным значением, предложенным Шаймухаметовым (2000), является 7-10 мг К+/ 100 г почвы. В переводе на значение обменного калия, согласно выше описанной корреляции, это составляет 14-20 мг К+/ 100 г почвы (17-24 мг К20/ 100 г почвы) и соответствует «Зонально-провинциальным нормативам...» (2010).

Дерпово-ползалистая супесчаная почва | Дерново-подзолистяягредлссуглипнстая почва

Варианты:

Контроль -о- ОТК

-е- Навоз -й» ЫРК+навоз

§ Равповесвлякопцептрацпя калпя в 0,01 М РиС.6 Изотермы сорбции КЭЛИЯ ...........................ш к-доиг п»ч»ы...................................... почвами в различных вариантах опыта

Для этого были получены изотермы сорбции калия при различных дозах внесения этого элемента. В опыте были использованы растворы 0,01М СаС12, содержащие К.С1 в количестве 0; 0,0001; 0,0002; 0,0005М. Такие концентрации калия в растворах

Чернозем легкоглнннстын

достаточны для того, чтобы построить необходимые изотермы (рис. 6). На полученных графиках определяем, при каких дозах можно получить равновесное содержание калия равное оптимальному (7-10 мгК+/100 г почвы).

Для перевода лабораторных данных исследования по дозам внесения удобрений из мг/100 в кг/га высчитывается переводной коэффициент, учитывающий плотность и глубину пахотного слоя 1 га почвы. Для перевода значений из ионной формы в форму К20- 1,205. Выводы:

1. Содержание подвижных форм калия в исследованных почвах увеличивается с утяжелением их гранулометрического состава. Закономерности распределения калия по гранулометрическим фракциям одинаковы, как для обменной, так и для легкоподвижной формы элемента. Максимальное содержание обеих форм калия установлено для фракций <0,2 мкм (коллоиды). Содержание калия в более крупных гранулометрических фракциях уменьшается по мере увеличения их размера. Легкоподвижный калий (однократная вьггяжка 0,01М СаС12) в среднем и для почв, и для гранулометрических фракций <10 мкм составил половину от обменной формы калия. Десятикратное вытеснение калия в образцах без инкубирования показало результат, сопоставимый со значениями обменной формы калия.

2.Наибольшей способностью к поглощению калия обладают фракции <10 мкм. При этом максимум ее приходится на коллоиды, минимум - на фракцию 1-10 мкм. Однако фиксация калия коллоидами в результате опыта не установлена. Проявление калий-фиксирующей способности было отмечено для гранулометрических фракций >0,2 мкм в среднесуглинистой и легкоглинистой почвах.

3.Значительная часть подвижного калия в исходных почвах приходится во фракциях <10 мкм. По мере утяжеления гранулометрического состава почв, увеличивается вклад этих фракций в сорбцию и десорбцию калия. При внесении калия в почву главным образом происходит перераспределение долевого участия сорбированного калия между гранулометрическими фракциями <0,2 мкм и 1-10 мкм в пользу последней. При этом долевое участие других фракций изменяется не так значительно. ^Интенсивность десорбции калия из почв определяется суммарной интенсивностью десорбции этого элемента из гранулометрических фракций <10 мкм. Интенсивность десорбции калия из гранулометрических фракций >10 мкм значительно больше, что свидетельствует о более слабом удержании калия этими фракциями.

5.Быстрое высвобождение калия на начальном участке опыта по динамике десорбции может быть связано с выходом элемента из планарных позиций. Дальнейшее замедление интенсивности десорбции калия - с высвобождением калия из специфических позиций, представленных межпакетным пространством трехслойных глинистых минералов и сколами каркасных силикатов (для калиевых полевых шпатов).

6.Внесение удобрений влияет на изменение содержания подвижных форм калия, как в почве в целом, так и в гранулометрических фракциях <10 мкм. Содержание калия от варианта «контроль» к варианту «КРК+навоз» увеличивается для неинкубированных образцов, но при этом сорбция элемента уменьшается. Влияние внесения удобрений на содержание калия во фракциях >10 мкм не отмечено.

7.Для обеспечения минимальных урожаев основных сельскохозяйственных культур в основном будет достаточно калия, который находится на планарных (легкодоступных) позициях минералов. Однако под пропашные культуры, требовательные к калийному питанию, на супесчаных почвах без внесения удобрений не обойтись. Для получения оптимальных урожаев на тяжелых почвах возможна

мобилизация калия из специфических позиций для вариантов без удобрений (под пропашные культуры). Для супесчаной почвы требуется внесение удобрений (в вариантах «контроль») сверх мобилизации калия из специфических позиций.

Публикация результатов: В журналах, рекомендованных ВАК

1 .Шаймухаметов М.Ш. «Влияние длительного применения удобрений на К-фиксирующую способность почв»/ М.Ш. Шаймухаметов: В.Л. Петрофанов // Почвоведение. 2008; №4. с. 494-506 l.Shaimukhametov M.Sh. Effect of long-term fertilization on the К-fíxing capacity of soils / M.Sh. Shaimukhametov, V.L Petrofanov // Eurasian Soil Science. 2008. T. 41. № 4. P. 441451

В других журналах, материалах и тезисах конференций

1 .Петрофанов В.Л. «Влияние длительного применения удобрений на сорбцию-десорбцию калия гранулометрическими фракциями дерново-подзолистой почвы». / В.Л. Петрофанов // Бюллетень Почвенного института №64, 2009 г., с. 73-80 2.Петрофанов В.Л. «Опыт использования кинетического метода в исследовании десорбции калия из гранулометрических фракций почв» I В.Л. Петрофанов //Тезисы докладов XVII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Ломоносов-2010, секция Почвоведение, М.. типография Россельхозакадемии. 2010 г., с. 86-87

КОПИ-ЦЕНТР св.: 77 007140227 Тираж 100 экз. г. Москва, ул. Енисейская, д. 36. тел.: 8-499-185-79-54, 8-906-787-70-86 www.kopirovka.ru

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата сельскохозяйственных наук, Петрофанов, Владислав Леонидович, Москва

61 12-6/331

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ

НАУК

ГНУ ПОЧВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ В.В. ДОКУЧАЕВА

На правах рукописи

Петрофанов Владислав Леонидович

Подвижность калия гранулометрических фракций дерново-подзолистых почв и чернозема

Специальность 03.02.13 - Почвоведение Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научный руководитель: Доктор с.-х. наук Фрид А.С.

Москва-2012

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................................................3

ГЛАВА 1. ОБЗОР РАЗВИТИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОДВИЖНОСТИ КАЛИЯ В

ПОЧВАХ.............................................................................................................................................6

1.1 Роль гранулометрических фракций в сорбции и десорбции калия почвами (калий-снабжающей способности почв)......................................................................................7

1.2 Роль минералогии глинистых частиц в сорбции (фиксации) и мобилизации

калия..............................................................................................................................................

1.3 Влияние степени окультуренности почв на фиксацию и мобилизацию калия................14

1.4 Методические подходы в определении фиксированного калия........................................15

1.5 Изучение динамики и кинетики десорбции калия..............................................................19

1.6 Методические подходы к изучению динамики и кинетики десорбции калия.................26

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ......................33

2.1 Объекты и методы исследований.........................................................................................33

2.2. Агрохимическая характеристика почв................................................................................38

2.3 Гранулометрический состав..................................................................................................40

2.4 Минералогический состав исследованных фракций..........................................................40

2.5 Органическое вещество в почвах и фракциях.....................................................................50

2.6 Емкость катионного обмена гранулометрических фракций и почв..................................52

2.7 Формы калия в исследованных фракциях и почвах............................................................54

ГЛАВА 3. СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОЧВ И ИХ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИХ ФРАКЦИЙ В ОТНОШЕНИИ КАЛИЯ...........................................................................................58

3.1 Сорбция калия почвами и гранулометрическими фракциями...........................................58

3.2 Долевое участие гранулометрических фракций в сорбционной способности

почв в отношении калия..............................................................................................................61

ГЛАВА 4. ДЕСОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОЧВ И ИХ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИХ ФРАКЦИЙ В ОТНОШЕНИИ КАЛИЯ.........................................65

4.1 Десорбционные свойства фракций и почв............................... .............................................65

4.2 Десорбируемость нативного калия из почв и их гранулометрических фракций.............70

4.3 Долевое участие гранулометрических фракций в десорбируемости калия из

почв................................................................................................................................................79

4.4 Зависимость изменения коэффициентов селективности калия от доли калия в емкости катионного обмена........................................................................................................85

4.5 Описание динамики десорбции калия с использованием уравнения первого

порядка..........................................................................................................................................89

4.6 Описание динамики десорбции калия с использованием модели

параболической диффузии........................................................................................................107

ГЛАВА 5. ВОЗМОЖНОСТИ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.........................................................................................................................П8

5.1 Дифференцированная оценка запасов обменного калия в почвах с учетом интенсивности десорбции..........................................................................................................118

5.2 Оптимальные параметры содержания калия в почвах.....................................................123

ВЫВОДЫ........................................................................................................................................126

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................................................129

ПРИЛОЖЕНИЕ..............................................................................................................................153

ВВЕДЕНИЕ

Калий является одним из основных биофильных элементов, который отвечает за плодородие и производительную способность почв. Несмотря на большое количество работ, посвященных калийному состоянию почв, поведение калия в почвах остается в центре внимания почвоведов. Одной из наиболее дискутируемых является проблема формирования калий-снабжающей способности почв.

Существенное влияние на подвижность калия в почве и доступность его растениям оказывают взаимодействие между раствором и твердой фазой почв. Скорость и направление реакций между растворимым, обменным калием и калием почвенных минералов определяют судьбу калия в почве - будет ли он выщелочен в нижележащие горизонты, использован растениями или превращен в необменные, труднодоступные растениям формы. Однако, в то время как различным аспектам ионного обмена почвенного калия посвящено большое количество исследований, тем не менее работы по изучению кинетики реакций калия в почве ограниченны. Существует ряд публикаций, посвященных кинетике десорбции калия из почв [7, 80, 121, 122, 128, 129, 132, 133, 157, 159, 170, 228, 229, 232, 237], а также посвященных изучению кинетики реакций в чистых глинистых системах [138, 148, 149, 154, 182, 193, 195, 199, 200, 201, 202, 214, 229, 230, 252]. Изучению же кинетики десорбции калия из гранулометрических фракций почв, где поглощающий комплекс имеет сложную структуру, в которой тесным образом связаны глинистые минералы, оксиды, органическое вещество, посвящено очень мало работ [126, 178, 179, 238]. Очень небольшое количество работ [35, 54, 68, 70, 100] посвящено изучению десорбции калия из гранулометрических фракций, в которых были использованы различные вытяжки (1М СН3СООЫН4, 0,5 н. уксусная кислота, 1М НКЮз, 0,01 М НС1, низкомолекулярные органические кислоты, Н- и Са-смолы, 0,01 М СаСЬ). Практически не изучена кинетика и динамика выхода калия из почв и их гранулометрических фракций при различных уровнях

обеспеченности питательными элементами. Недостаточно данных для оценки роли отдельных гранулометрических фракций в снабжении растений этим элементом.

Цель.

Оценить содержание подвижных форм калия и особенности динамики его десорбции из пахотных горизонтов дерново-подзолистых почв и чернозема в целом и их гранулометрических фракций при различных системах удобрения.

Основные задачи исследования:

1) Дать оценку содержания подвижных форм калия для почв и их гранулометрических фракций;

2) Выявить долевое участие отдельных гранулометрических фракций в общем содержании подвижных форм калия;

3) Изучить динамику десорбции калия из образцов почв и гранулометрических фракций на основе использования 0,01 М раствора СаС12;

4) Изучить связь показателей калийного состояния и интенсивности десорбции со свойствами почв, гранулометрических фракций и системами удобрений;

5) оценить потенциальную обеспеченность растений калием с учетом распределения элемента по легко- и труднодоступным обменным позициям.

Научная новизна.

1) Впервые изучены параметры десорбции калия из гранулометрических фракций (включая коллоидную и предколлоидную) трех почв, функционирующих в условиях длительных полевых опытов с удобрениями и различающихся по гранулометрическому составу;

2) Получены данные по содержанию подвижных форм калия гранулометрических фракций указанных почв;

3) Оценены доли калия в планарных и специфических позициях для гранулометрических фракций в зависимости от генезиса почвы и их уровня обеспеченности калием.

Практическая значимость.

1) Полученные данные позволяют оценить относительную скорость агроистощения изученных почв по калию при сельскохозяйственном использовании и гранулометрические фракции, лимитирующие этот процесс;

2) Дана количественная оценка обеспеченности изученных почв калием для минимальных и оптимальных урожайностей различных сельскохозяйственных культур с учетом распределения десорбируемого калия по различным позициям минералов гранулометрических фракций;

ГЛАВА 1. ОБЗОР РАЗВИТИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОДВИЖНОСТИ КАЛИЯ В ПОЧВАХ

Несмотря на то, что вопросы оценки состояния запасов калия в почвах изучается давно, эта тематика остается открытой. Проведя анализ публикаций исследователей, современную калийную проблематику можно подразделить на несколько направлений. Первым направлением можно выделить вопросы методологии определения калия. Это направление обсуждается Козловой с соавт. [36], Прокошевым с соавт. [58], Соколовой с соавт. [77, 78], Мажвилой с соавт. [173]. Работы по изучению различных по степени подвижности форм калия за последние 5 лет приводятся в публикациях Бурховецкой [9, 10], Нечаевой с соавт. [48], Савича с соавт. [66], Якименко [101], Фотимы [139], Джатава с соавт. [161], Мартинса с соавт. [171], и Шкарпы с соавт. [224]. Влияние систем применения удобрений на формы и содержание калия в почвах изучались Володиной с соавт. [13], Даугелене с соавт. [26, 127], Дзюиным с соавт. [27], Кобылкиным с соавт. [33], Лямцевой с соавт. [41], Нечяевой с соавт. [47], Никитиной с соавт. [49], Панайотовой [53], Сатишуром [67], Якименко [103]. Об использовании калия из удобрений и почв растениями сообщалось в работах Кобзаренко с соавт. [32] и Просянниковой с соавт. [60]. Большое количество работ посвящено мониторингу калийного состояния почв. Среди них такие исследователи как Абасов с соавт. [1], Гукалов с соавт. [25], Кобылкин с соавт. [33], Лямцева с соавт. [41], Паладич с соавт. [52], Прошкин [61], Савич с соавт. [66], Сискевич с соавт. [69], Сычев с соавт. [81], Шафран [95], Якименко [98], Джонстон [162], Миккельсен [180], Мюррел [186]. Кроме

того за последние годы в России очень активно изучается роль калия при

1

радиоактивном загрязнении почв Cs. Работы в этом направлении проводятся коллективами исследователей Беловой с соавт. [8], Кузнецова с соавт. [38, 39], Путятина с соавт. [62], Юрикова с соавт. [96].

В целом, в последние годы работы по изучению калия были направлены на исследование процессов сорбции и десорбции этого элемента почвами.

Известно, что источником калия обменной фазы и почвенного раствора являются калий-содержащие минералы тонкодисперсной (< 1-2 мкм) и грубозернистой (пылеватой и песчаной) фаз почв: диоктаэдрические (мусковит, глауконит, иллит) и триоктаэдрические (биотит, флогопит) минералы слюдистого типа, полевые шпаты (ортоклаз, микроклин). Такие результаты были получены Градусовым и Яковлевой [19, 24]. Ими установлено, что способность тонкодисперсных и грубозернистых фаз пополнять запасы легкодоступного калия определяется количеством, кристаллохимическими особенностями минералов, устойчивостью к факторам выветривания и почвообразования, рН почвенного раствора, концентрацией в нем калия и конкурирующих ионов, режимами увлажнения и температуры. Для гумусовых, в том числе пахотных горизонтов, существенную роль играет уровень аккумуляции органического вещества, повышающего конкурентную способность щелочноземельных металлов по отношению к калию и снижающего сорбцию последнего твердой фазой почв, а также интенсивность использования К-содержащих удобрений и мелиорантов.

1.1 Роль гранулометрических фракций в сорбции и десорбции калия почвами (калий-снабжающей способности почв).

Скотт [216] отмечал, что наиболее важным фактором, определяющим процессы фиксации и мобилизации калия, является гранулометрический состав. Задачами выяснения механизмов поступления калия из почв в растения в свое время занимались Медведева с соавт. [46], Пчелкин [63], Эйк с соавт. [132], Мунн с соавт. [185], Шнейдер с соавт. [212], Спаркс [229], Тарафдар [242]. Эти механизмы, их вклад в данный процесс могут сильно различаться в различных почвах в связи с неоднородностью их состава и свойств. Как известно, почва представляет собой гетерогенную систему, состоящую как из значимых в питании растений минералов, так и не играющих существенной роли. Неоднократно проводившиеся разделения почвенной массы на частицы разного размера помогли выяснить наиболее значимые в питании растений

гранулометрические фракции и входящие в их состав глинистых минералов. Сообщения об этом направлении работ есть у Важенина [11], Горбунова [17], Пивоваровой [54], Скоропановой [70], Шахтшабеля с соавт. [209], Шлихтинга с соавт. [210]. Наиболее значимые работы в области изучения минералов слоистых силикатов, входящих в состав илистой фракции, были выполнены Спарксом с соавт. [136, 137, 159, 227, 229, 231, 233]. Кроме того, Аиде [104], Спарксом [233], Засоски с соавт. [249] проводились исследования с целью изучить десорбционные свойства чистых глинистых минералов, которые обычно входят в состав илистой фракции почв, по отношению к калию. Однако минералы, использованные в опытах, не были почвенными, а выделялись из горных пород. Градусов [18] и Соколова с соавт. [75] отмечали существенную разницу в строении и свойствах глинистых минералов, выделенных из почвы и тех, что получают исследователи для процессов моделирования из горных пород. Такая разница объясняется большим количеством изоморфных замещений в минералах почв вследствие их большей выветрелости, а также наличием на их поверхности органоминеральных пленок. Таким образом, данные, полученные с применением модельных опытов с чистыми минералами, не позволяют адекватно оценить вклад тех или иных почвенных минеральных компонентов в процессы сорбции и десорбции калия.

Участие минералов крупных фракций в реакциях катионного обмена и фиксации калия в почвах европейской территории России обсуждается в работах Соколовой с соавт. [79] и Носова с соавт. [50].

Интересно отметить закономерность, обнаруженную Градусовым [23] на основании обработки большого массива информации методами многомерной статистики. Она заключается в том, что увеличение значимости ила в целом и иллита в его составе в формировании параметров калийного состояния противостоит снижению роли грубозернистой части почв. В частности, источником обменного калия в дерново-подзолистых почвах являются преимущественно грубозернистые фракции, участие которых снижается к

черноземным почвам, уступая место минералам илистой фракции [23]. Об увеличении роли последних в формировании пула обменного калия с севера на юг европейской территории России свидетельствует прямая зависимость между повышением в этом направлении запасов элемента в пахотных горизонтах почв и содержания (в % от массы почвы) иллитов илистых фракций, что отражено в работе Чижиковой с соавт. [88]. Соколова с соавт. [79] сообщала, что о существенной роли тонкодисперсных компонентов в регулировании калийного режима серых лесных почв свидетельствует тесная корреляция между содержанием в них обменного калия, рассчитанного по Бекету (-ЛКД с одной стороны, и илистых фракций, а также иллитовых и смектитовых компонентов ила (в % от массы почвы), с другой.

Дейстом [130] было установлено, что поступление калия в почвенный раствор и через него в корни растений контролируется главным образом двумя факторами: 1) содержанием калия в грубодисперсных минералах и скоростью его высвобождения из них; 2) содержанием калия в глинистых (тонкодисперсных) минералах и их кристаллохимическими особенностями.

Имеющаяся информация о роли гранулометрических фракций в формировании калий-снабжающей способности почв неоднозначна. Горбунов [16] и Чижикова [89] показали, что калий-снабжающую способность почв обусловливают содержание илистых частиц и участие в них минералов слюдистого типа. В основе мнения о важнейшей калий-снабжающей роли илистых гидрослюд лежит предположение о менее прочной связи калия в них по сравнению с минералами более крупных фракций.

Противоречащие им многочисленные данные Джеймса с соавт. [158], Рича [202], Смита с соавт. [226] свидетельствуют о более трудной экстрагируемости калия из тонкодисперсных частиц по сравнению с грубодисперсными. Очень медленное высвобождение калия из илистых гидрослюд по мнению Рича [202] имеет важное значение для плодородия и трансформации почв. Высвобождение и участие в питании растений

значительных количеств калия из пылеватых и даже песчаных фракций было показано в ряде работ таких зарубежных исследователей как Карсон с соавт. [123], Мунн с соавт. [185], Пратт [194] и Рейченбаха с соавт. [200].

Таким образом, роль гранулометрических фракций в калий-снабжающей способности почв до сих пор остается дискуссионной. Среди основных отечественных работ по этой теме необходимо отметить исследования Горбунова [17], Пчелкина [63], Скоропановой [70], Пивоваровой [54], Сергеенко [68]. В последнее время эту тему активно развивали Козлова с соавт. [35], Якименко [99, 100], Крыщенко с соавт. [37]. Нужно отметить, что среди перечисленных работ доминируют сообщения лишь о распределении различных форм калия по гранулометрическим фракциям. Вопрос о приоритетности высвобождения калия из гранулометрических фракций и его поступления в растения до сих пор открыт. Аналогичные работы с гранулометрическими фракциями про