CC BY
29
УДК 631.85(470.314)
АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ФОСФОРА В АГРОСЕРЫХ ПОЧВАХ ВЛАДИМИРСКОГО ОПОЛЬЯ
1Д.В. Карпова, д.с.-х.н., 2Н.П. Чижикова, д.с.-х.н., 1Н.А. Колобова, 1В.В. Кононенко
1МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: [email protected] 2Почвенный институт имени В.В. Докучаева, e-mail: [email protected]
Проведен анализ поведения фосфора в агросерых почвах Владимирского ополья на основе дифференцированной оценки распределения его по резервам элементов питания и поведения при внесении различных доз минеральных удобрений, содержащих фосфор. Анализируется изменение резервов почвенного плодородия в отношении фосфора в зависимости от распределения в пространстве, обусловленное условиями формирования почв на разных элементах рельефа, применяемых систем удобрений и доз. Показано, что в агросерой почве Владимирского ополья трансформация применяемых фосфорных удобрений протекает без существенного химического закрепления питательных элементов в труднодоступные для растений формы. Фосфор удобрений сравнительно равномерно распределяется по основным фракциям извлекаемых фосфатов.
Ключевые слова: фосфор, дифференцированная оценка содержания фосфора, гранулометрические фракции, резервы фосфора.
ANALYSIS OF AGRO PHOSPHORUS IN GRAY SOILS OF VLADIMIR OPOLIE
1Dr. Sci. D.V. Karpova, 2Dr. Sci. N.P. Chizhikova, 'N.A. Kolobova, 'V.V. Kononenko
1Moscow Lomonosov State University, e-mail: karpovad@mail. ru 2Soil Science Institute named after V. V. Dokuchaev, e-mail: [email protected]
The study analyzes phosphorus activity in arable gray soils of Vladimir opolie on the basis of the differential estimation of its distribution in nutrient elements reserves and its activity when phosphorus-containing mineral fertilizers of different doses are added. The changes in soil in terms ofphosphorus are analyzed conditional on its spatial distribution, which depends on the conditions of soil formation on various relief elements as well as types and doses of mineral fertilizers. The study reveals that that the transformation ofphosphorus fertilizers in arable gray soil occurs without substantial chemical fixing of nutrients into forms inaccessible for plants. Phosphorus fertilizers were distributed relatively evenly over the major fractions of extractable phosphates.
Keywords: phosphorus, differential estimation ofphosphorus content, particle-size fractions, phosphorus reserves.
Источником фосфора в почве служат минералы почвообразующей породы. Среди наиболее распространенных элементов земной коры фосфор занимает 11 место. Среднее его содержание в горных породах составляет 0,1%, однако известно около 200 минералов, содержащих 1% и более. Большая часть фосфора литосферы входит в состав минералов группы апатитов (фторапатита, гидроксиапати-та, хлорапатита, франколита, вилькеита, пироморфита). Вторая важная форма - это силикатные минералы, в которых фосфор замещает кремний в кремний-кислородных тетраэдрах [1]. В результате процессов выветривания и почвообразования фосфор почвообразующих пород вовлекается в биогеохимический круговорот с образованием вторичных органических и минеральных соединений. Фосфор минералов используется растительными и микробными сообществами, которые синтезируют фосфорсодержащие органические соединения. Фосфор органических соединений составляет 10-
60% общего содержания фосфора в растениях и более 90% в микроорганизмах [2, 3 цит. по 4].
Фосфаты, сформировавшиеся в результате процессов почвообразования, сосредоточены в основном в илистых фракциях. Здесь он и удерживается в результате ионных, координационных и адсорбционных связей. Одновременно в илистом веществе могут присутствовать все компоненты: апатиты, органические фосфаты, фосфор в составе минеральных солей и группа мобильных фосфатов [5].
Цель исследований - анализ поведения фосфора в агросерых почвах Владимирского ополья на основе дифференцированной оценки распределения его по резервам элементов питания и поведения при внесении различных доз минеральных удобрений, содержащих фосфор.
Объекты и методы. Исследования проводили на опытном поле Владимирского ВНИИСХ, расположенном в 3,5 км к юго-западу от села Ивановское в окрестностях города Суздаля, в траншее, подго-
товленной для участников III съезда Докучаевского общества почвоведов в 2000 г. Траншея расположена в плакорных, хорошо дренируемых условиях (недалеко от оврага под названием Мжара), длиной около 22 м и глубиной более 2 м, с юга на север в южной наиболее высокой части территории. Расположение траншеи в рельефе, а также зарисовка почвенных горизонтов, их мощности и конфигурации нами заимствованы из Путеводителя научных полевых экскурсий III съезда Докучаевского общества почвоведов (Суздаль, 2000). Свойства агросе-рых тяжелосуглинистых почв этой траншеи подробно описаны в литературе [6-9].
Полевые исследования проводили в севообороте: пар - озимая рожь - овес с подсевом трав - травы первого и второго года пользования - озимая рожь - ячмень. Схема опыта: 1. Черный пар (контроль); 2. Черный пар + навоз, 40 т/га; 3. Черный пар + солома озимой ржи в 2-х звеньях севооборота; 4. Сидеральный пар; 5. Сидеральный пар + навоз, 40 т/га; 6. Сидеральный пар + солома озимой ржи в 1-м звене севооборота; 7. Сидеральный пар + солома озимой ржи в 2-х звеньях севооборота; 8. Занятый пар + навоз, 40 т/га. 9. Занятый пар + навоз, 40 т/га + солома озимой ржи в 2-х звеньях севооборота; 10. Занятый пар + навоз, 40 т/га + солома озимой ржи в 2-х звеньях севооборота + пожнивная сидерация на 6-ой год.
Из образцов почв, отобранных в 5 профилях траншеи, охвативших основные почвенные разности, были выделены фракции ила, тонкой и средней пыли и остатка. Фракционный состав фосфатов определяли по Гинсбург-Лебедевой.
Результаты и их обсуждение. Количественное содержание и распределение по профилям почв фракции <1, 1-5, 5-10 мкм, выделенных методом Н.И. Горбунова, согласуется с характером распределения и величинами гранулометрических фракций агросерых почв данной траншеи, определенных методом Н.А. Качинского. По этим данным во всех горизонтах преобладающей фракцией является крупнопылеватая. Содержание песчаных фракций незначительно. Почва характеризуется средне-суглинистым иловато-крупнопылеватым составом верхней части профиля и легкоглинистым иловато-крупнопылеватым - нижней. Текстурная дифференциация обусловлена распределением илистой фракции. Содержание этой фракции в пахотных горизонтах варьирует в зависимости припашки различных горизонтов. В пахотном горизонте оста-точно карбонатной агросерой почвы количество фракции менее 1 мкм намного выше (20-23%), чем в пахотном горизонте над вторым гумусовым горизонтам (ВГГ), где количество ила составляет всего 15-16% (табл. 1).
Фосфатное состояние отдельных гранулометрических фракций наиболее часто оценивается по
общему содержанию в них фосфора. Концентрация фосфора в гранулометрических фракциях подчиняется общей закономерности: она постепенно возрастает с повышением степени дисперсности частиц. М.И. Макаров [4] дает обстоятельный обзор содержания фосфора в разных гранулометрических фракциях основных типов почв Русской равнины, Северного Кавказа, ссылаясь на многочисленных авторов, исследованиями которых подтверждается эта закономерность.
Наши исследования также подтвердили указанную выше закономерность. Наибольшее содержание валового фосфора в агросерой почве наблюдается в пахотном горизонте, ниже, а именно, с глубины 40 см количество валового фосфора резко (в 6 раз) снижается. Анализ содержания валовых форм фосфора в гранулометрических фракциях разной размерности также показал наибольшее его содержание во фракции менее 1 мкм (табл. 2). На глубине 40-50 см этот показатель снижается до 0,09. В почвообразующей породе этот показатель минимальный. Во фракции тонкой пыли содержание валовых форм фосфора существенно ниже даже в пахотном горизонте (0,08%). Вниз по профилю этот показатель тоже снижается, но не столь существенно, как в образцах почвы в целом или образцах фракции менее 1 мкм. Во фракциях размерностью более 5 мкм валовые содержания фосфора колеблются в пределах 0,01%.
Таким образом, наши данные подтвердили, что именно илистая фракция определяет поведение фосфора, поскольку наибольшее его количество сконцентрировано именно в ней.
Н.И. Горбунов [10] предложил дифференцированную оценку запасов (резервов) элементов питания растений, содержащихся в минералах. Каждый элемент сосредоточен в определенных минералах. Все общие запасы элементов Н.И. Горбуновым разделены на четыре категории: общие, потенциальные, ближние и непосредственные.
Элементы, которые определяются при помощи агрохимических вытяжек, относятся к непосредственному резерву, так как они доступны растениям. Элементы, содержащиеся в илистой фракции, образуют ближний резерв. К дальнему или потенциальному резерву (запасу) отнесены элементы во фракциях крупнее 1-2 мкм. Эти исследования были детализированы на основе минералогических и кристаллохимических параметров компонентов ряда фракций [11]. В таблице 3 дана оценка резервов фосфора в агросерых тяжелосуглинистых почвах Владимирского ополья на основе дифференцированного его содержания.
В процессе почвообразования и в первую очередь при вовлечении почв в сельскохозяйственное производство в судьбе фосфора важное значение принимают процессы сорбции - десорбции, осажде-
1. Содержание гранулометрических фракций в агросерой тяжелосуглинистой почве,
выделенных по методу Н.И. Горбунова, %
Глубина, см Размер фракций, мкм
<1 1-5 5-10 >10
Агросерая лесная остаточно-карбонатная. Точка 1 (Т1)
0-33 20,0 10,0 9,6 59,8
36-50 32,7 8,0 7,5 50,8
80-90 30,4 10,1 6,5 50,0
Агросерая лесная с ВГГ. Точка 2 (Т2)
0-22 16,0 1,4 11,1 61,0
22-33 17,8 9,8 11,2 60,6
33-50 17,8 10,9 9,5 61,5
50-70 23,6 8,1 7,5 61,2
Агросерая лесная с ВГГ. Точка 3 (Т3)
0-10 16,5 7,7 10,1 71,0
10-20 15,5 10,0 7,1 65,0
30-40 10,0 8,8 6,1 74,3
40-50 31,0 9,5 7,1 52,0
50-60 31,5 9,0 6,3 53,1
80-90 22,8 12,9 6,5 58,0
100-110 29,3 11,6 4,8 54,9
200-210 29,1 14,0 6,0 52,0
Агросерая лесная тяжелосуглинистая. Точка 4 (Т4)
0-19 22,4 7,8 9,2 60,5
33-40 24,7 10,6 9,2 55,8
50-60 27,0 9,4 8,2 54,6
Агросерая лесная тяжелосуглинистая остаточно-карбонатная. Точка 5 (Т5)
5-12 23,3 11,7 5,8 59,2
21-31 24,6 11,3 7,0 57,0
33-37 25,4 12,2 6,8 55,0
35-43 27,5 10,4 8,7 53,3
49-53 22,8 11,7 8,5 57,0
53-57 25,9 9,1 6,7 58,3
60-80 29,9 8,1 5,6 57,0
50-100 28,5 8,8 4,8 57,8
120-140 31,5 9,3 6,2 53,0
190-200 31,0 14,0 8,1 47,0
2. Валовой химический состав агросерых почв Владимирского ополья
и выделенных из них фракций, %
Глубина, см SiO2 Al2Oз Fe2Oз CaO MgO ^ | ХЮ P2O5 MnO Cr2Oз SOз а
Почва в целом
0-10 73,94 11,18 3,90 1,44 0,76 2,57 0,90 0,18 0,13 0,02 0,13 0,01
40-50 66,98 13,88 5,57 1,19 0,98 2,66 0,92 0,03 0,10 0,02 0,04 0,02
80-90 66,52 13,67 5,37 1,26 1,14 2,57 0,91 0,04 0,09 0,02 0,06 0,02
200-210 66,04 14,57 5,54 1,07 1,37 2,53 0,91 0,06 0,09 0,02 0,07 0,01
Фракция менее 1 мкм
0-10 49,51 18,65 10,10 0,33 2,14 2,75 1,02 0,26 0,18 0,03 0,12 0,14
40-50 50,62 19,05 11,10 0,22 2,12 2,75 1,00 0,09 0,11 0,03 0,05 0,04
200-210 51,20 18,20 10,38 0,45 11,98 2,64 0,95 0,01 0,12 0,04 0,06 0,04
Фракция 1-5 мкм
0-10 67,54 13,16 5,58 0,69 1,04 3,31 1,09 0,08 0,23 0,02 0,11 0,04
40-50 71,93 13,80 4,65 0,57 1,24 3,35 1,07 0,04 0,12 0,02 0,06 0,06
200-210 62,26 15,21 7,17 1,00 1,40 3,06 1,12 0,02 0,13 0,03 0,03 0,05
Фракция 5-10 мкм
0-10 80,72 10,05 2,94 0,87 0,92 2,65 0,88 0,02 0,14 0,013 0,04 0,02
200-210 73,62 12,56 3,95 1,50 1,32 2,76 0,94 0,01 0,11 0,015 0,05 0,03
Фракция > 10 мкм
0-10 81,49 8,49 2,39 0,98 0,61 2,29 0,81 0,01 0,08 0,011 0,04 0,03
200-210 73,82 7,85 2,59 1,65 0,63 1,97 0,74 0,01 0,05 0,015 0,08 0,01
3. Дифференцированное распределение фосфора по запасам элементов питания в агросерой
почве Владимирского ополья
Глубина, см Фракция, < 0,001 мм, % Содержание Р2О5,% Резерв, мг/кг
почва в целом фракция < 0,001 мм потенциальный ближний непосредственный общий
Агросерая тяжелосуглинистая со вторым гумусовым горизонтом
0-10 16,5 0,18 0,26 1315 297 188 1800
40-50 31 0,03 0,09 97 93 110 300
80-90 16,9 0,04 0,09 42 68 29 400
200-210 20,1 0,06 0,01 430 121 49 600
Агросерая тяжелосуглинистая остаточно-карбонатная
0-20 16,5 0,18 0,26 1315 297 188 1800
30-50 20,5 0,03 0,09 28 62 110 300
50-70 23,9 0,04 0,09 129 96 176 400
80-140 18,3 0,05 0,05 118 92 29 500
ния - растворения. Эти процессы непосредственно зависят от дисперсности почвенного материала и кристаллохимии основных минеральных фаз, их устойчивости при изменении условий окружающей среды. По Бароу (1984), Норичу и Россеру (1983), Парфиту (1978) главными факторами, влияющими на сорбционные свойства почв на отложениях фосфат-ионов, являются: содержание реакционноспо-собных соединений железа и алюминия, органического вещества и кислотно-основные характеристики [цит. по 12].
Л.С. Травниковой, Л.В. Петровой [12] была предпринята попытка оценить роль компонентов почвы (глинисто - органических, метало - органических, силикатной части), фракционированной по методике Шаймухаметова [13]. Установлено, что накопление фосфора в твердой фазе исследованной почвы осуществляется в большей мере механизмом осаждения, чем сорбции. В процессе сорбции не принимают участия метало-органические составляющие почвы, которые лишь десорбируют фосфаты. В сорбционных процессах участвуют лишь глино-органические составляющие. Сравнение фосфатного режима неудобряемой и удобряемой почвы позволило установить существенные различия в поведении фосфора. Так, длительное применение удобрений приводит к значительному снижению сорбции фосфора. В неудобряемой почве значительная часть фосфора закрепляется в труднодоступной форме глино-органическими составляющими. В интенсивно удобряемой почве он будет накапливаться в виде минеральных фосфатов. В его поведении более значительную роль играют метало-органические составляющие. Фосфорный режим почв формируется с участием как сорбции -десорбции, так и осаждения - растворения. Причем процессы осаждения - растворения более значительны для интенсивно удобряемых почв, но существенно варьируют в зависимости от агрофона. С ростом окультуренности почв снижается их фос-фат-сорбирующая способность, отмечается наибольшее количество лабильного фосфора, снижается величина фосфатного потенциала [14].
Рентгенографирование глинистых минералов, находящихся в контакте с фосфорными удобрениями (суперфосфат) свидетельствует о разрушающем действии аммония фосфора на глинистые минералы [15, 16]. В связи с этим изменяется фосфатный режим почв. Деструктированные сложные силикаты - носители сорбирующей способности почв заменяются продуктами их разрушения - оксидами железа, алюминия. С этими компонентами образуются более мобильные метало-органические соединения фосфора.
Процессы трансформации фосфорных удобрений изучали на основе анализа результатов фракционирования почвенных фосфатов. Наиболее подвижные фосфаты щелочных металлов и аммония, кислые и свежеосажденные фосфаты кальция и магния (фракция Ca-Pl) составляют 5-6% от общего содержания фосфора в почве. Фракция Рп менее растворимых форм фосфатов Са и Мg, преимущественно вторично образованных и фосфатов закис-ных форм железа, достигает 20-23% от валового фосфора почвы. Таким образом, содержание наиболее доступных растениям фракций P1 и Рп составляет 25-27%. Содержание алюмо- (фракция Al-P), железо- (фракция Fe-P) и высокоосновных фосфатов кальция (фракция Ca-Pз) варьирует соответственно в пределах 3,8-4,0, 10,1-10,5 и 5,6-6,6% от общего количества фосфора в почве. Известкование повышает величину рН агросерой тяжелосуглинистой почвы и ионизацию слабых кислотных групп органического вещества, что через кальциевые мостики увеличивает связывание фосфатов органическим веществом (табл. 4).
Известкование агросерой тяжелосуглинистой почвы улучшает условия питания культур за счет увеличения доли рыхлосвязанных фосфатов. При использовании повышенных доз фосфорных удобрений с известью увеличивается доля минеральных фосфатов (уменьшается фосфор органических соединений. Среди извлекаемого фосфора возрастает доля рыхлосвязанных фосфатов за счет убыли раз-ноосновных фосфатов кальция и магния. В большинстве вариантов отмечается повышение железо-
4. Влияние систем удобрения в севообороте на фракционный состав почвенных фосфатов
в пахотном (0-20 см) горизонте почвы, % от общего содержания фосфора в почве
Вариант Са-Р1 Са-РП Al-P Fe-P Ca-P3 р о P 2°5извлек. р о P 2°5орган. Р2О5общ., мг/100 г
Контроль 5% 22,90% 3,90% 10,50% 6,60% 48,90% 55,40% 170
Известь 6,70% 17,30% 3,00% 8,20% 5,00% 40,20% 58,70% 196
Р60К80 6,30% 14,30% 3,20% 6,30% 5,50% 35,60% 57,90% 216
^0Р60К80 6,80% 18,40% 3,50% 12,30% 6,20% 47,20% 51,00% 193
N120P120K160 7,70% 13,90% 3,60% 11,30% 6,20% 42,70% 43,60% 191
Навоз, 60 т 6,50% 14,20% 3,30% 8,50% 5,50% 38,10% 53,00% 202
Навоз, 60 т + Р60К80 6,70% 18,80% 3,50% 11,90% 5,70% 46,50% 55,60% 196
Навоз, 60 т + ^0Р60К80 5,50% 19,10% 3,30% 8,60% 5,60% 42,10% 59,70% 208
Навоз, 60 т + N120P120K160 7,00% 17,80% 4,10% 10,70% 5,80% 45,40% 50,40% 224
фосфатов, которое связано с подкисляющим действием фосфорных удобрений. Системы удобрения слабо влияют на содержание алюмо- и высокоосновных фосфатов. Навоз способствует некоторому росту рыхлосвязанных фосфатов за счет трансформации разноосновных фосфатов Са и Мg. При применении оптимальных доз фосфорных удобрений в составе NPK и более полного использования рыхлосвязанных форм фосфора (из-за резкого возрастания урожая возделываемых культур) их содержание в почве заметно снижается.
Таким образом, можно заключить, что в аг-росерой тяжелосуглинистой почве Владимирского ополья трансформация применяемых фосфорных удобрений в сочетании с известкованием по полной гидролитической кислотности протекает без существенного химического закрепления питательных элементов в труднодоступные для растений формы. Фосфор удобрений сравнительно равномерно распределяется по основным фракциям извлекаемых фосфатов.
Литература
1. Маккелви В.Е. Распространенность и распределение фосфора в литосфере / Фосфор в окружающей среде. - М.: Мир, 1977. - С. 24-46.
2. Harrison A.F. Soil organic phosphorus. A revive of world literature. - Wallingford, 1987. - 257 p.
3. Magid J., Tiessen H., Condron L.M. Dinamics of organic phosphorus in soils under natural and agricultural Ecosystems / Humic substances in terrestrial ecosystems / Ed. A. Piccolo. - Amsterdam: Elsevier, 1996. - P. 429-466.
4. Макаров М.И. Фосфор органического вещества почв. - М.: ГЕОС, МГУ, 2009. - 397 с.
5. Иванов А.Л., Сычев В.Г., Державин Л.М., Адрианов С.Н., Бражникова Н.В., Карпова Д.В., Карпухин А.И., Кирпичников Н.А., Конончук В.Д., Самойлов Л.Н. Агробиогеохимический цикл фосфора. - М.: РАСХН, 2012. - 512 с.
6. Путеводитель научных полевых экскурсий III Съезда почвоведов ДОП (11-18 июля 2000 г., Суздаль). - М.:, 2000. -118 с.
7. Шеин Е.В., Иванов А.Л., Бутылкина М.А, Мазиров М.А. Пространственно-временная изменчивость агрономических свойств комплекса серых лесных почв в условиях интенсивного сельскохозяйственного использования // Почвоведение,
2001, № 5. - С. 578-585.
8. Шеин Е.В., Кириченко А.В., Бутылкина М.А., Буева Ю.И. Закономерности распределения почвенно-генетических и физических свойств комплекса серых лесных почв Владимирского ополья // Вестник Моск. Ун-та, сер. 17 Почвоведение,
2002, № 14. - С. 17-24.
9. Архангельская Т.А., Бутылкина М.А., Мазиров М.А., Прохоров М.В. Свойства и функционирование пахотных почв палеокриогенного комплекса Владимирского ополья // Почвоведение, 2007, № 3. - С. 261-271.
10. Горбунов Н.И. Минералогия и физическая химия почв. - М.: Наука, 1978. - 293 с.
11. Чижикова Н.П., Годунова Е.И., Карпова Д.В., Шкабарда С.Н. Резервы элементов питания растений в почвах России (дифференцированный подход на основе петрографо-минералогических показателей) / Мат-лы Всероссийской открытой конф. «Почвенные и земельные ресурсы: состояние. Оценка, использование. - М., 2014. - С. 440-448.
12. Травникова Л.С., Петрова Л.В. Роль продуктов органоминерального взаимодействия в формировании фосфатного режима дерново-подзолистой почвы / Сб. научн. трудов «Физико-химия почв и их плодородие». - М.: ВАСХНИЛ, ПИД, 1988. - С. 39-47.
13. Шаймухаметов М.Ш., Титова Н.А., Травникова Л.С., Лабенец Е.М. Применение физических методов фракционирования для характеристики органического вещества почв // Почвоведение, 1984, № 8. - С. 131-141.
14. Калишина Л.К. Сорбция фосфора дерново--подзолистыми почвами в условиях длительного применения удобрений / Физико-химические аспекты почвенного плодородия. Научн. труды Почвенного института им.В.В. Докучаева, 1985. - С. 8.
15. Чижикова Н.П., Годунова Е.И., Кубашев С.А. Изменение глинистых минералов в черноземах слитых глинистых под влиянием веществ различной природы в условиях модельного эксперимента // Почвоведение, 2008, № 10. - С. 1268-1278.
16. Кубашев С.К. Изменение структурно-минералогической основы, состава и свойств слитых почв при воздействии на них веществ различной природы (промышленные отходы, стандартные удобрения, мелиоранты) в условиях Центрального Предкавказья: автореф. дисс. к.б.н. - М.: Почвенный институт им. В.В. Докучаева, 2005. - 24 с.
