Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Прогнозирование содержания минеральных и органических форм фосфора в почвах под сельскохозяйственным посевом на основе математического моделирования

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Прогнозирование содержания минеральных и органических форм фосфора в почвах под сельскохозяйственным посевом на основе математического моделирования"

АГРОФИЗИЧЕСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

СЕМАШКО Ольга Владимировна

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ И ОРГАНИЧЕСКИХ ФОРМ ФОСФОРА В ПОЧВАХ ПОД СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫМ ПОСЕВОМ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность: 06.01.03 — Агропочвоведение и агрофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1992

Работа выполнена и Агрофизическом ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте.

Научные руководители — доктор химических наук, профессор О. Г. Усьяров; доктор технических наук Г. В. Менжулнн.

Официальные оппоненты — доктор технических наук, профессор Р. А. Полуэктов; кандидат физико-математических наук И. А. Швытов.

Ведущее учреждение — Санкт-Петербургский государственный аграрный университет.

Защита состоится «1992 г. в часов

на заседании Специализированного совета Д 020.21.01 в Агрофизическом научно-исследовательском илституте по адресу: 195220, Санкт-Петербург, Гражданский пр., 14.

С диссертацией можно ознакомиться. в библиотеке Агрофизического научно-исследовательского института.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу: 195220, Санкт-Петербург, Гражданский пр., д. 14, АФИ.

Ученый секретарь Специализированного совета,

доктор биологических наук М. В. Архипов

Автореферат разослан

1992 г.

российская ••„•:."".

^¿уДДРСТЬЕПИЛЯЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

тени. В условиях возрастающих темпов химизация И интенсификации сельскохозяйственного производства особое значение приобретают расширенное воспроизводство и повышение плодородия почв. С проблемами плодородия тесно связан фосфатный режим почв. Обусловлено это тем, что почвы, обладая, как правило, высокими запасами валового фосфора, в значительных количествах содержат малодоступные растениям соединения фосфорной кислота. Практика земледелия показийает, что низкий уровень доступного для растений фосфора в почве является одним из Наиболее важны* факторов, лимитирующих потенциально возможную продуктивность культур, а также снижающих эффективность различных видов удобрений.

Необходимость решения комплекса задач для улучшения фосфорного питания растений, таких как поддержание и повышение уровня доступных фосфатов почвы, рациональное использование все возрастащих доз удобрений, развитие агротехнических и агромелиоративных приемов, способствующих лучшему усвоению растениями фосфатов почвы и т.д. делает весьма актуальными теоретические исследования трансформации различных форм фосфатов в системе почва-растение. Такого рода теоретические исследования в совокупности с имеющимися экспериментальными данными могут служить базой для принятия научно-обоснованных решений, направленных на регулирование фосфатного состояния почв; В условиях интенсификации возрастает цена каждого принятого решения и требуется инструмент;, с помощью которого можно оценить последствия проводимых мероприятий, выбрать из альтернативных оптимальный вариант. В этом качестве могут выступать различного рода математические модели.

Возможность прогнозирования фосфатного состояния почвы 6 использованием модели, учитывающей фязико-химичеокиэ и биологические особенности, а также гидротермические и агрохимические свойства почвы, способствует повышению точности рекомендаций по использованию удобрений, что приводит к повышению их эффективности и снижению незапланированных потерь, связанных с необратимым закреплением фосфатов различными почвенными компонентами.

Актуальность темы диктуется также необходимостью разработки и внедрения усовершенствованных систем земледелия, построенных на строгой количественной основе, учитывающей влияние на урожай' всех почвенно-климатнческих факторов и предусматривающей широкую дифференциацию агротехнических приемов в соответствии с особенностями каждого поля.

Цепь работы состояла ь развитии на основе имещихся качест-вешух и количественных сведений о процессах трансформации соединений фосфора почвы математической модели, позволяющей прогнозировать динамику фосфатного состояния почвы в течение вегетационного. периода в зависимости от физических, гидротермяческих и агрохимических свойств почий, доз и сроков внесения минеральных фосфорных и органических удобрений. При создании модели поведения фосфора в почве ставилась задача, с одной стороны, достаточно реально описать различные процессы, а с другой, -.найти разумную альтернативу их упрощения и агрегирования, чтобы вложить в модель имеющуюся информацию, обеспечивающую ее практическое использование.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

- анализ основных закономерностей трансформации фосфатов в окультуренных почвах пр- различных почвенно-климатических условиях и разработка структуры модели;

- обоснование математической формализации исследуемых процессов трансформации и установление функциональных зависимостей скоро-' стей этих процессов от гидротермдческах характеристик почвы;

- идентификация.параметров и начальных условий модели;

- программная реализация модели на ПЭВМ;

- вкспериментальная проверка модели.

Научная новизна. В данной работе впервые реализован комплексной многосторонний подход к моделированию фосфатного состояния почв, основанный на системных исследованиях природы сложных явлений.

Впервые разработаны

- блок адсорбции фосфат-ионов минеральными компонентами почв, базирующийся на представлениях о сущвствов&шш на поверхности почвенных минералок центров адсорбции с различными анергиями связывания фосфатов, . ,

- блок трансформации оргаиофосфатов с учетом микробиологической активности почв.

Проведены расчеты динамики доступных фосфатов почвы в зависимости от доз и срокоь внесения минеральных фосфорных и органических удобрений, а также способа их применения.

В.рамках настощ&й работы рассмотрев вояроо о растворении гранул минеральных фосфорных удобрений с учетом адсорбции выщелоченных фосфат-ионов.

Практическая значимость работы.

1. Разработанная комплексная модель позволяет:

■ а) прогнозировать уровень доступных фосфатов почвы на протяжении вегетационного период« иод сельскохозяйственным посевом при различных дозчх, сроках и способах внесения минеральных фосфорных и органических удобрении, а также с учетом пщютермического состояния ПОЧШ1.

б) производить расчет оптимальных доз мннералмтх {»опорных удобрений и выдавать рекомендации с учетом ^ктического фосфатного состояния почвы и складывающихся погодных условий,

в) осуществлять выбор способа внесения (¡ос^орних удобрений, при котором наиболее аффективно используются питательные вещества,

г) значительно сократить объемы проведения трудоемких полевых опытов для установления 8ф1«ктивности применяемых удобрения при различных ночвешю-кллмйтнческта условиях,

д) создавать автоматизированные системы поддержи решений о способах, дозах и сроках внесения минеральных фосфорных и органических удобрений.

2. Блочнеп структура модели дает возможность ее пооледовв-тельного развития, углубления и конкретизации по мере накопления соответствующих знаний.

3. Модель реализована в виде программы для персонального ком-пьытера/что давт возмо.тооть использовать ее непосредственно при разработке агротехнических приемов. -

Апробация работы. Основные положения и результата работа докладывались на 9-ой сессии Всесоюзного семинара "Погодя-у]>ожяй-математика" (ПУМ-Э) (Душанбе, 1989 III и IV Всесоюзных конференциях по химической термодинамнко почв (Алма-Ата, 1988 Г., Ташкент, 1990 г.), международной конференция "Т'изическ^я химия и массообмешше процессы в почвах" (Пущиио, 1903 г.), конференциях молодых ученых ЛФй в 1988 и 1990 гг., семинарах лаборатории физи-ко-химш почв и минерального питания растений ЛЭД в I987-I99I гг.

Публикации. По теми диссертации опубликовано 6 работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов, е также списка литературы, вшгочандего 241 наименование.

Об'1-ьм диссертационной работы - IC'fi страниц, в тексте содержится 33. рисуи.та и ? таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В парной главе проведен обзор современных представлений о процессах превращения и перераспределения соединений фосфора в почвах, обоснован выбор структуры модели, а также проанализирован опыт, Накопленный в области математического моделирования поведения.фосфатов почвы.

Как показано в работе, трансформация соединений фосфора в почве - связная динамическая система химических, физико-химических, физических и биологических процессов, протекающих с различной • интенсивностью и скоростью. Взаимосвязи и взаимопревращения между основными фосфорсодержащими компонентами почвы представлены на рис.1. Для обеспечения растений доступным фосфором основное значение в втом цикле имеют процессы, непосредственно рех'улирующие уровень фосфатов в почвенном растворе. Модель включает следующие процессы: физико-химическое поглощение фосфатов поверхностью твердой фазы почва, минерализации органофосфатов, поглощение фосфора корневыми системами растений и почвенной микрофиюрой.

Особое внимание в работе уделено рассмотрению физико-химических основ процессов адсорбции фосфат-ионов минеральными компонентами почв. Связано вто с.тем, что реакции, протекающие на границе раздела твердой и амдкой фаз являются, по мнению большинства исследователей, основным механизмом, ответственным за закрепление фосфатов. В связи с атим детально рас смотре ни такие вопросы как вовникновеше отрицательного заряда на поверхности почвенных частиц, пути образования и строение двойного слоя (ДО) на границе раздела фаз, а также природа сил, обуславливающих адсорбцию анионов в ДС.

Согласно результатам исследований, сорбция фосфат-ионов различными минеральными компонентами почвенной системы происходит в результате двух основных процессов: физической (специфической) адсорб-г ции в плотной части ДС и носпецифической адсорбции в диффузной части ДС. Невозможно, однако, провести четкую границу между процессами хемосорбции и физической адсорбцией; вероятнее всего, различие будет проявляться только в анергии связывания фосфат-ионов, обуславливаемой различием в характере действущих сил.

Поскольку сорбция фосфат-ионов представляет поверхностное яв-Лш'ш^, то большую роль в этом процессе играют те минералы, которые обладают наибольшей удельной поверхностью (УП). К минералам, определяющим главным образом УП, относятся глинистые минералы, а такле «жнея а гидроокиси Ре и А1.

'Внесение *осЗоритноН цукл

Знесение Фосфатов

апатитоподобнне Аосйаты

а. Ч

адсооб. -5ос:Ьатн на алсиосиликатах

II

адсотзб. *осйаты ^ на коллоидах Яе, А1

адсорб. фосфаты на кавбонатах

Внесение растворимых фосфатов

Фосфор почвенного раствора

лама

Босфор в растениях

Зне'сение органических удобрени!

---1 чг

котаевая система

I______I

позснивные и копневче остатки

органо-фосфаты

микроорганизмы

!_____

Рас.1.1. Зорин соединенна фосфора в почвах и пути яг трансформации. Структурные блоки модели:

I - адсорбции фосфат-ионов повепхностьо твердой ^азн почвы," II - ттзансТюрйации органо-фосФатов, III - корневого поглощения.

- б -

В данной глаье подробно рассмотрены возможные механизмы поглощения фосфат-ионов глинистыми минералами, окисями и гидроокисями ?е и А1, карбонатами. Показано, что на краях и сколах алюмосиликатов адсорбция происходит в результате обменных лигандных реакций с адсорбированными силикатами или другими специфически адсорбированными анионами, Нй0+- или ОН-грушшми

А1 - НзБЮ^]0 + Ц^РО" = А1 - ^РОд 1° + НдБЮ^

А1 - Е>0 ]+ + ЙаР0^ = А1 - ПзРО^]0 + Пг0

А1 - ОН + ^РО^ = А1 - 1у04Г + ОН".

На базальных поверхностях кристаллов происходит физическая ионообменная сорбция фосфат-ионов как цотенциалоопределяицях анионов. Механизм сорбции фосфат-ионов гидроокисями Ре и А1 при низких концентрациях аналогичен сорбции на краях и сколах алюмосиликатов. Реактивные места адсорбции на кальците - поверхностные ионы Сай+, у которых координационные позиции заняты молекулами воды, бикарбонат-ными ионами или ОН-ионами.

Далее рассмотрены механизмы поглощения фосфат-ионов почвами. Почва представляет собой сложную.многофазную систему, в которой поверхность глинистых минералов модифицируется другими компонентами почвы. Как показано выше, на поверхности минеральных компонент почвы в результате лигандного. обмена возможно образование различных типов комплексов, причем для различных минералов даже однотипные комплексы отличаются энергией связывания анионов. Поэтому естественно предположить, что в почве существует множество типов центров адсорбции с различной энергией связывания фосфат-ионов. Учитывая, • что механизмы адсорбции фосфат-ионов, рассмотренные дня случая -минеральных систем, безусловно действуют и почва, но разделить их строш но минералам не представляется возможным, при моделировании адсорбции фосфат-ионов поверхностью твердой фазы цочвы был выбран ■ следу щий путь. Все центры адсорбции были разбиты на'две группы, в каждую из которых включены центры с близкими по величине анергиями связывания фосфатов. Так, для рассматриваема почв предполагалось, что первую группу составляют, вероятно, центры, расположенные на поверхности окисей и гидроокисей, а также на сколах и краях глинистую минералов, вторую - центры на базальных поверхностях минералов.

Исходя из кинетики процессов сорбции-десорбции, в работе установлено соответствие между понятиями вдсорбированный-лабильный и фиксированный- нелегальный. Адсорбированные (лабильные) фосфаты ■ р«юома*риваютоя кнк ближний реаврц питания растений, они с'ыстро

поступают в раствор в случае нарушения равновесия в почве в результате выноса фосфора. Фиксированные (нелабильные) фосфата характеризуются сильной заторможенностью процессов перехода.

В первой главе также рассмотрены основные процессы трансформации органофпс^атов. Фосфор органических фракций инертен и только после минерализации вовлекается в химические реакции. Трансформация этих соединений в формы, доступные для растений, в'значительной степени определяется деятельность?) микроорганизмов, обладащих разнообразием биохимических функций. Рассмотрена роль микроорганизмов в круговороте фосфора. Полагали, что они выполняют три функции: являются основными агентами трансформации органического вещества почвы, конкурируют с растениями за фосфор почвенного раствора и сами являются потенциальным источником лабильных форм органофосфатов.

Поскольку органофюсфаты представляют некоторое подмножество органической части почвы, то они, как и органическое вещество в целом, подразделяются на два различные по природе группы соединений: продукты биологического синтеза (неспецифические органофосфа-ты) й продукты гумусообразования - фосфогумусовые специфические соединения. Неспецнфические органофюсфаты включают, в основном, три класса соединений: фюсфолипиды (ФЛ), нуклеиновые кислоты (НК) и инозитолфосфатн (М>). Суммарное содержание ФЛ и НК в почве обычно не превышает 5%; эта Фракция является наиболее лабильной, способной пополнять запасы доступных фосфатов почвы. Самая большая группа но- , специфических органофосфатов представлена фосфорными зфирами инозита, которые могут составлять до 60Ж от общего содержания оргвнофос-фатов почвы. Данные соединения сравнительно устойчивы к минерализации. Большая часть органофосфатов -»до 50-70% от их общего содержания - связана с гумусовыми веществами потаы.

В заключение данной главы дан обзор работ, посвященных математическому моделированию трансформации соединены фосфора в гючвв.

Вторая глава посвящена обоснованию математической модели трансформации фосфора в почве. Динамическая модель состоит из трех блоков: адсорбции фосфатов минеральными компонентами почв, трансформации органофосфатов почвы с учетом микробиологической деятельности и блока корневого поглощения фосфат-ионов. Описывая превращения различных групп фосфатов, все блок л в итоге замыкаются на одном почвенном пуле - почвенном растшре. Общая структура модели приведена на рис.1. Отдельную модель представляет блок растворения гранул минеральных ^юоКфлЫХ удобрений.

}'я основании расс^трешшх в гяаъ-.: 1 мехг-.'низмоп адсорбции по-

- в -

Строева математическая модель поглощения фосфат-ионов почвенными -минералами, учитывающая следу шиле обстоятельства:

1. На поверхности минералов расположены два типа центров адсорбции, характеризующиеся'различной анергией связывания фосфат-ионов. Существует определенная вероятность взаимного обмена сорбированными ионами, поглощенными на атих центрах, и определяемая глубинами внер-гетичаских минимумов Ua и Ub ¿рис.2), а также вероятность десорбции ионов.

2. Процесс поглощения фосфат-ионов поверхностью минерале® заторможен благодаря существованию электростатических бчрье^ров и которые, в принципе, могут различаться для обоях «мой 'Центров.

3. Сорбция происходит одновременно на всей поверкиос!», «о есть на центрах обоих типов с вероятностью, определяемо! »«сотой соотвест-вущих барьеров.

Возможные пути трансформации фосфатов а системе почвенный минерал - раствор ори отсутствии катионов, спосоэтх образовывать нв-, растворите фосфаты, иллюстрируются на рис.3. Эеодаация системы раствор фосфат-ионов-минерал описывается системо* дифференциальных и алгебраических уравнений, учитывающей сохранение баланса всех участвующих во взаимодействии компонентов.

В основе модели.трансформации оргааофосфатов лежит ранее разработанная Куравлевым O.G. (1982 г.) модель многолетних изменений органического вещества почвы, модафюрроваиная для органофосфатов и доношенная блоком динамики микробной популяции почвы. Обосновано принятое в данном блоке фракционирование органического вещества почвы и дана характеристика каждой из выделенных фракций. Рассмат-' риваются пять основных макрогруш: S1- овежие растительные остатки, не потерявшие анатомического строения (пожнивные остатки и оаад Sg и корневые остатки Sp), S2 - органические удобрения, S3 - неспеци-фгчвекне органофосфетн, Б4 - саещфгческие оргавофосфаты, Sg- век- -ромасса микроорганизмов. Наспеци^мческие оргаяофосфпш S3 подразделяются ва Бэ - феюфолипида и нуклеиновые кислота, S§ - инозитолфос-фаты. С учетом основных процессов трансформа1цш органического вещества почвы, а также выделении макрогрупп, структурная схема трансформации органофосфатов имеет вид, представленный на рис.4.

Для описания процессов разложения органического вещества исполь-аовадЬсь-простая акспоненциальная модель, в основе которой лежат уррвнекия кинетики первого порядке. Поскольку процесса разложения органических веми та управляются преимущественно ферментами, при составлении v чми бчп применен формализм Нихаэлиса-М^нтеН.

V — — -

.А

— — л г ™

"ь

V

ш _ _ )

В

Рис.2 Схема, характеризующая высоты барьеров и для поглощения фосфат-ионов поверхпосты) почвенных минералов с двумя типами А и В адсорбционных центров, а также энергию их связывания иа и иь.

'а

А <-

С

В -? -1 Л

Рис.3. Принципиальная схема модели адсорбции фосфат-ионов поверхностью минералов с двумя типами адсорбционных центров.

-и-

В уравнения введены функциональный зависимости скоростей разложения рассматриваемых груш органических веществ от влажности и температуры почвы.

В основу модели корневого поглощения фосфат-ионов легли следующие основные положения:

- зависимость поступления веществ в корень от их концентрации описывается кинетикой Михнелиса-Ментен,

- питательные вещества поглощаются из всего объема почвы, Ти есть не учитывается диффузия фосфат-ионов к корни.

Использованная модель корневого поглощения является простейшей для сельскохозяйственных культур. Весь объем корня в ней рассматривается как однорэдйня система без учета горизонталышх и-вертикальнее изменений свойств корня и почвы, что является весьма существенным упрощением.

Интегрирований системы, списывающей трансформации фосфора в почве, проводили методом Рунге-Кутта четвертого порядка точности.

В рылках изучения проблемы трансформации соединений фосфора в почве разработана математическая модель растворения гранул фосфор-ннх удобрений, основанная на представлениях о диффузионном переносе фосфат-ионов в почвенном растворе и их поглощении почвой.

Исходными для построения модели являлись следующие предпосылки:

- гранула имеет сферическую форму,

- почвенная среда изотропна по всем направлениям,

- концентрация фосфатов на границе гранулы постоянна и равна концентрации насыщенного раствора соответствующего химического соединения, '

- диффузия растворенных фосфатов с поверхности гранулы в окружающую среду сопровождается поглощением кх компонентами твердой фазы почвы, поглощение фосфат-ионов почвами происходит на центрах адсорбции различной природы,

- поток растворенных фосфатов, у границы гранулы подчиняется первому закону Фика.

Для решения уравнения, описывающего процесс растворения гранул фосфорных удобрений в почве, использовался метод сеток. Полученные в результате применения разностной схемы уравнения был* решены методом прогонки.

Тротья глава содержит результаты исследований по информационному обеспечений модели.

В глава изложены результаты анализа чувствительности

и -

модели к изменен™ параметров, проанализированы данные модельных экспериментов, я также проиллюстрирована возможность применения модели для щюгнозированил фосфатного состояния почв. Верификация роботы модели и выявление фикто]юн, влияетцкх на поведение фосфат-ионов в почвах, проводились поэтапно в соответствии с принятым в модели разбиением на блоки.

На первом втшш исследовалась сорбция фосфат-ионов минеральными компонентами почв, в частности, алюмосиликатами. На основании проведенных модельных экспериментов можно утверждать,-' что скорость процесса в наибольшей степени определяется высотой энегети-ческого барьера электростатической природы. Уровень равновесной концентрации фосфат-ионов в рассматриваемой системе обуславливаются следующими факторами: величиной удельной поверхности минерала, высо-'той энергетического барьера, энергией связывания ионов на "сильных" центрах, долей "сильных" центров в общем количество центров сорбции.

При варьировании параметров блока трансформации органофосфатов установлено, -го модель наиболее чувствительна к изменению ско|юс-тей разложения органофосфатов. Установлено, что динамика органофос-фатов на протяжении вегетационного периода достаточно монотонна, за исключением случая внесения оргвничеоких удобрений (поскольку органические удобрения содержат в "готовом" виде некоторые формы органофосфатов). Наиболее стабилон в течение вегетационного периода уровень специфических органофосфатов. Согласно результатам численных экспериментов, основная роль в пополнении запаса доступных фосфатов .• почвы принадлежит ФЛ и НК; вклад оргянофосфатов в пополнении этого пула наиболее заметен на неудобряемнх почвах или почвах с низким уровнем доступных фосфатов. Под достушшми фосфатами в данном случав подразумевается сумма фосфатов почвенного раствора и фосфатов, адсорбированных на центрах с низким значением анергии связывания.

Исследована динамика популяции микроорганизмов как функция гидротермического режима почвы.

Проведен анализ численных экспериментов по влиянию минеральных фосфорных и органических удобрений на динамику органофосфатов и доступных фосфатов почвы. Установлено, что применение только минеральных удобрений в дозах, превышающих вынос сельскохозяйственными культурами, способствует повышению уровня доступных фосфатов, однако . негативно сказывается на содержании органофосфатов почвы. Совместное внесение минеральных и органических удобрений или только органических улучшает общее фосфатное состояние почвы.

Из всего набора параметр:® блока корневого поглощения паиболъ-

- -j -

шее шшянив на уровень доступных фосфатов почвы оказывает параметр, характеризующий скорость поглощения фосфат-ионов из раствора.

При анализе результатов моделирования особое мвсто отведено исследовании динамики концентрации фосфатов почвенного раствора как основной среды, содержащей питательные вещества. Установлено, что концентрация фосфат-ионов в растворе является наиболее динамичным компонентом модели: она изменяется в несколько раз на протяжении вегетационого периода (рис.5). Показано, что концентрация фосфатов в растворе, в основном, регулируется их запасами в твердой фазе почвы. Из антропогенных факторов наибольшее значение имеет внесение водорастрворимых фосфорных минеральных удобрений. В обеспечении растений участвуют не только фосфаты почвенного раствора, но и фосфаты, адсорбированные на "слабых" центрах (рис.6). Фосфаты, адсорбированные на "сильных" центрах, являются, скорее всего, резервом питания растений. Наиболее замогеа их вклад в.обеспечение растений на почвах с низким уровнем доступных фосфатов.

В данной главе продемонстрирована возможность использования модели для оценки эффективности применения удобрений. Исследовался вопрос: какой способ внесвяия удобрений более эффективен, - ежегодное применение обычных доз фосфорных удобрений или одноразовое внесение повышенных доз. Выполнены расчеты для следущих вариантов: I) 60 кг РцОу/га минеральных удобрений ежегодно, 2) 180 - один раз в три года, 3) 360 - один раз в 6 лет. Исходный уровень доступных фосфатов - средний (2.5 мг Р20д /100 г почвы). Результаты моделяро-рования представлены на рис.7. Установлено, что для почв, характеризуемых принятой при расчетах совокупностью параметров, наиболее эффективным является ежегодное внесение удобрений: п этом варианте , содержание доступных фосфатов почвы через 12 лет увеличилось на 4 мг и почва перешла в группу почв с очень высоким уровнем фосфатов. Во втором варианте прирост составил 2.8 йг я почва стала характеризоваться высоким уровнем доступных фосфатов. В третьем случае фосфатный статус почвы изменился только на одну градацию и увеличение составило всего 1.5 мг.

Среди параметров, характеризующих растворение грзяул фосфорных УДобрейий, основное влияние на скорость процесса оказывают влажность почвы, определяющая коэффициент диффузии фосфат-ионов, teмае-ратура, определяющая концентрации насыщенного раствора данного хй-ййчесшго соединения, а там® химический состав вносимых удобрений.

Сопоставление результатов модельных расчетов с данными экса?-ртоати%о растворению гранул минеральных фосфорных удобрений по-

Рис.6. Динамика концентрации фосфат-ионов в растворе при различных исходных фосфатных состояниях почвы:

1 - почва с высоким уровнем доступных фосфэтоь

(6.2 мг РдОу/юи г почвы),

2 - со средним уровнем (2.5 мг), 3-е очень низким уровнем (О.Ь мг),

Ь - аочна со сродним уровнем, но без растений.

6 •-

4

мг Ра0а/100 г 1ючвц

1.10

1.1

—г— 1.4

I

1.7

I

дата

1.10

Рис.6. Содержание доступных фосфатов при различных исходных уровнях обеспеченности почв фосфором: • I - высокий. <5.2 мг),

2 - средний (2.5 мг), „

3 - очень низкйй(4.2 мг) и

4 - почва со средним уровнем обеспеченности,

без рвс'тений.

Пунктирная линия отвечает ¿сходному уровню фосфатов, звездочкой на оси абсцисс отмечена дата сева.

г

э

- iC-

Pac.7. Динамика доступных фосфатов почвы при внесении

(в) - 60 кг Рй03/га вжешдно, (б) - 180 кг/га ода раз

в три годя, (и) - 3G0 кг/га один раз в 6 лет и общая тенденция изменения у]юннн доступных фосфатов при укы'.чшшх дозах удобрений ir): 1 - 60, ?. - 180, 3 -ЗШ кг/га.

зволяет сделать вывод об адекватности результатов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И' ВЫВОДЫ

1. Щюанализированы основные закономерности трансформации фосфатов в окультуренных почвах при различных почвенно-климатлческих условиях. Из всей совокупности форм фосфатов почвы выделены те, процессы превращения которых определяют уровень доступного для растений фосфора на протяжении ввгетационого периода. Основное внимании сконцентрировано на исследовании поглощения фосфат-ионов минеральными компонентами почв, трансформации органофосфатов с учетом деятельности почвенной микрофлоры, корневого поглощения фосфатов. В-соответствии с выделенными процессами разработана структура модели, включающая три блока, взаимодействие между которыми осуществляется через пул почвенного раствора. Отдельно рассмотрен вопрос о растворении гранул минеральных фосфорных удобрений.

2. Обоснована математическая формализация исследуемых процессов трансформации, а также найдены функциональные зависимости скоростей этих процессов от гидротермических характеристик почвы. Сформирована система даИвренциальных уравнений модели, описывающая содержание различных форм фосфатов в пахотном слое почвы, и выполнена процедура интегрирования системы.

3. По литературным данным проведена конкретизация всего комплекса параметров и начальных условий модели, а также параметров функций воздействия факторов почвенной среды (температуры, влажности) на . скорости процессов трансформации соединений фосфора.

4. Математическая модель реализована в виде программы на ПЭВМ, позволяющей рассчитывать на протяжении вегетационного периода содержание в пахотном слое почвы таких форм фосфатов как адсорбированные и фиксированные минеральными компонентами почвы, органофосфата, фосфаты почвенного раствора.

5. Выполнена серия модельных экспериментов для проверки функционирования модели на "качественном" уровне. Проведен анализ чувствительности модели к вариации ее параметров и начальных условий.

6. На основе математической модели выполнен количественный анализ динамики различных форм фосфатов на протяжении вйгетационного периода для даче различной степени обеспеченности доступными фосфатами. Проведено исследование влияния различных доз минеральных фосфорных

4 органических удобрений, а также сроков их внесения на динамику доступных фосфатов почвы.

Вьший^пы модзльзыу эксперименты, демиястрирувцяе возможность фимеяения модели для прогнозирования фосфатного состояния ао^в.

- iü -

Проиллюстрировано использование модели для оценки эффективности применения удобрений', посредством выбора их оптимальных форм, доз и условий применения в соответствии с физико-химическими и агрохимическими свойствами почвы.

Основные положения диссертации опубликованы в сдедупцих работах:

1. Семашко О.В.', Менжулин Г.В., Усьяров О.Г. Моделирование поглощения фосфат-ионов минеральными компонентами почв// Биол. науки. 1990. N 7. С. 138-146.

2. Семашко О.В., Менжулин Г.В., Усьяров О.Г. Растворение . гранул фосфорных удобрений и управление фосфатным режимом почв// Физика и физико-химия корнеобитеемого слоя почвы. Л.: АФИ. 1989. С. 68-77. . '

3. Семашко О.В. Моделирование изотерм сорбции фосфат-ионов монтмориллонитом// Физика и физико-химия корнеобитаемого слоя почвы. Л.: M!i. 1989. С. 78-82.

г

4. Семашко О.В., Усьяров О.Г. Изучение и моделирование растворения гранул фосфорных удобрений в почве// Агрохимия (в печати)

5. Семашко О.В., Паласиос Фернандес Д.Ф., Усьяров О.Г. Моделирование физико-химических и биологаческих процессов трансформации фосфатов для прогнозирования фосфатного режима почв// Вт. ВИУА (в печати).

•Б. Семашко О.В., Усьяров О.Г. Моделирование фосфатного режима почв// Сб. "Почве, растение, процессы и модели." С.-П., 1992. Я. 12-22.

, | I .Ii I , . •

РТП.Т*П.Ч31Р,'3«к.627,*Гжр, 1СЮ28.09,92.Бвоплмио.