CC BY
5
УДК 631.416.2(470.323) DOI: 10.24412/1029-2551-2021-5-015
ФОСФОР В ВОЗДУШНО-СУХИХ АГРЕГАТАХ КУРСКОГО ЧЕРНОЗЕМА В РАЗЛИЧНЫХ ТИПАХ АНТРОПОГЕННО-ОБУСТРОЕННОГО ЛАНДШАФТА
1Г.И. Денисова, 1Д.В. Карпова, д.с.-х.н., 2Е.А. Иванова, к.б.н., 2О.Б. Рогова, к.б.н.
1Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, e-mail: karpovad@mail.ru 2ФИЦПочвенный институт им. В.В. Докучаева, e-mail: katriell@mail.ru
На примере анализа воздушно-сухих агрегатов чернозема типичного (Курская обл.) показано влияние типа землепользования, а также размера агрегатных фракций, на содержание фосфора, в том числе различных его форм (подвижного, органического, минерального). Исследованы агрегаты размером > 5 мм, 5-2, 2-1, < 1 мм. В качестве объектов были выбраны варианты, отличающиеся по степени антропогенной нагрузки, увеличивающейся в следующем ряду: косимая степь < лесополоса < no-till < пашня (бессменная озимая пшеница, традиционная обработка); дополнительно отбирали образцы почвы в условиях длительного бессменного черного пара. Почва в условиях нулевой обработки (no-till) характеризовалась наибольшими запасами органического углерода и сравнительно большим содержанием минеральной и подвижной форм фосфора. Наибольшее количество органической формы фосфора отмечалось в варианте косимой степи. В почвах сельскохозяйственных угодий (в вариантах пашни и no-till), в том числе в варианте пара, содержания минерального и органического фосфора, а также органического углерода, равномерно распределяются между всеми выделенными размерными группами агрегатов. Зависимость содержания подвижного фосфора от размера агрегатов была отмечена только для варианта некосимой степи: его количество снижается с уменьшением размера агрегатов.
Ключевые слова: агрегаты, чернозем типичный, формы фосфора в почвах, Курская область.
PHOSPHORUS IN AIR-DRY AGGREGATES OF THE KURSK CHERNOZEM IN DIFFERENT TYPES OF ANTHROPOGENIC LANDSCAPES
1G.I. Denisova, lDr.Sci. D.V. Karpova, 2Ph.D. E.A. Ivanova, 2Ph.D. O.B. Rogova
lLomonosovMoscow State University, e-mail: karpovad@mail.ru 2FRC V.V. Dokuchaev Soil Science Institute, e-mail: katriell@mail.ru
By the example of the analysis of air-dry aggregates of typical chernozem (Kursk region), the influence of the type of land use, as well as the size of aggregate fractions, on the content of phosphorus, including its various forms (mobile, organic, and mineral) was determined. Aggregates with sizes > 5 mm, 5-2, 2-1, < 1 mm were investigated. The objects were soils differing in the degree of anthropogenic load, increasing in the following order: mowing steppe < forest belt < no-till application < arable land (no-till winter wheat, conventional tillage); additionally, soil samples were taken in conditions of long-term bare fallow. Soil under no-till conditions was characterized by the highest reserves of organic carbon and relatively high content of mineral and mobile forms of phosphorus. The greatest amount of organic phosphorus was observed in mowed steppe. In the soils of agricultural lands (in arable and no-till variants), including bare fallow, the content of mineral and organic phosphorus, as well as organic carbon, is evenly distributed between aggregates of all the investigated size groups. The dependence of mobile phosphorus content on the size of aggregates was noted only for the variant of mowing steppe: its amount decreases as aggregate size decrease.
Keywords: aggregates, typical chernozem, forms of phosphorus in soils, the Kursk region.
Фосфор - один из наименее подвижных макроэлементов и нередко становится лимитирующим фактором для роста и развития растений. Минеральный фосфор очень реакционноспособен при образовании комплексов с ионами металлов (железа, алюминия, кальция), в результате до 70-90% поступающего в почву фосфора адсорбируется или выпадает в осадок [1]. Усвояемость органических фосфатов го-
раздо меньше, поэтому микроорганизмы выступают неотъемлемой частью круговорота фосфора, при этом до 10% внесенного с удобрениями фосфора подвергается микробиологической иммобилизации.
На содержание органического фосфора оказывает влияние и использование территории. В исследованиях пашни и естественной растительности в США (штат Дакота) было доказано, что при актив-
ном использовании территории содержание органически связанного фосфора уменьшилось на 35% (за 30-48 лет), при этом внесение фосфора в составе органических удобрений не приводило к снижению активности минерализации [2].
Содержание органического углерода напрямую влияет на содержание фосфора и может увеличить его запасы в почве, а также его доступность для растений [2, 3]. Проведенные на оподзоленных китайских черноземах (luvic phaeozem) опыты показывали, что с увеличением содержания органического вещества увеличивалась доступность фосфора, так как повышалась его растворимость [3]. Одними из механизмов могли быть процессы адсорбции и десорбции. Сорбция фосфат-ионов на поверхности органического вещества препятствует его химическому осаждению на поверхности гидроксилапатита в малорастворимых формах. Органические соединения также способны формировать с кальцием хелат-ные комплексы, что может мешать образованию высокоосновных кальциевых форм фосфатов [2].
Многие исследователи пытались определить содержание фосфора в гранулометрических фракциях разного размера. Так, исследования на серых лесных почвах Владимирского Ополья по фракциям < 1, 1-5, 5-10 мкм подтвердили закономерность распределения фосфора в соответствии с гранулометрическим составом. Наибольшее содержание валовых форм фосфора было замечено во фракциях < 1 мкм в пахотном горизонте, а на глубине < 40 см содержание фосфора резко снижается [4].
Использование минеральных удобрений увеличивает количество минерального фосфора, и уменьшает содержание его органических соединений за счет минерализации органического вещества. Таким образом, фосфор может переходить в более доступные для растений формы. Например, на серых лесных почвах, содержание доступных растениям фосфатов составляет 25-27% от всего фосфора почвы [4].
В исследованиях на черноземах Курской области по содержанию углерода, азота и общего содержания фосфора в агрегатах разного размера. Фосфор определяли по методу Гинзбург, его количество увеличивалось по мере уменьшения почвенных отдельно-стей. Независимо от уровня плодородия, его минимальное содержание отмечалось в агрегатах < 0,25
[5]. Целинные черноземы Курской области на территории заповедника «Казацкая степь» характеризуется средней (55-80 мг/кг) величиной подвижного фосфора, а средневзвешенное содержание подвижного фосфора на территории области составляет 133 мг/кг
[6]. При длительном сельскохозяйственном использовании происходит увеличение количества глыбистых отдельностей и снижение количества агрономически ценных агрегатов [7, 8]. Также увеличивается количество агрегатов, сосредоточенных в более мелких фракциях. При переведении пара в залежи
активизируются процессы агрегирования почвенной структуры под влиянием травянистой растительности, сопровождающиеся увеличением количества агрономически ценных и водоустойчивых крупных агрегатов (10-2 мм) [7, 8]. Таким образом, одновременное изучение агрегатного состояния и запасов фосфора в условиях антропогенно-преобразованных ландшафтов может способствовать выявлению закономерностей в распределении содержания различных форм фосфора (подвижного, органического, минерального и валового) в разных по размеру структурных отдельностях, что может быть использовано при оптимизации методик внесения, а также создания новых форм фосфорных удобрений.
Цель работы - оценка содержания различных форм фосфора во фракциях разного размера в условиях различных типов землепользования, включая анализ содержания минерального и органического фосфора в воздушно-сухих агрегатах в черноземах Курской области при антропогенной нагрузке разной интенсивности.
Объекты и методы. Образцы для анализов отобраны в 2017 г. с территорий Курского ФАНЦ и Центрально-черноземного государственного природного заповедника им. профессора В.В. Алехина (далее - ЦЧГПЗ). В качестве объекта исследований выбран типичный чернозем Курской области разного типа землепользования: почва косимой степи (КЗ-С), почва многолетнего (с 1967 г.) черного пара (КЗ-П), почва пашни (Кпаш), почва с обработкой no-till (К-НТ) и почва лесополосы (К-ЛП). Поле с традиционной обработкой (Кпаш) с 1964 г. было отдано под бессменный посев озимой пшеницы. В почву ежегодно вносят удобрения в соотношении азота, фосфора и калия 45:60:45. Разрез К-НТ располагался в условиях нулевой обработки (no-till) в течение 4 лет с 2013 г. Культуры севооборота: го-рохоовсяная смесь, озимая пшеница, кукуруза на зерно, ячмень. В момент отбора образцов поле было занято посевами озимой пшеницы.
Для анализов отбирали верхние 20 см почвенного профиля. Образец каждого из анализируемых вариантов был разделен на группы воздушно-сухих агрегатов сокращенным методом (с выделением размерных фракций > 5, 5-2, 2-1 и < 1 мм) сухого просеивания. Полученные образцы растирали в фарфоровой ступке пестиком с резиновым наконечником и пропустили сквозь сито в 1 мм.
Содержание гумуса почвенных образцов определяли по методу Тюрина с титриметрическим окончанием (ГОСТ 29269-91). Предварительно из образца были отобраны все корни, а также остатки грибного мицелия, образец был растерт в агатовой ступке и просеян через сита в 0,25 см. Для титрования использовали 0,1 н соль Мора (ГОСТ 4208-72).
Подвижный фосфор определяли по методике Мачигина с колориметрическим окончанием (ГОСТ
26205-91). Для извлечения подвижных форм фосфора использовали 1% раствор уксуснокислого аммония с рН 9,0 при температуре 25±20°С при соотношении почва:раствор = 1:20. Определение проводили с помощью спектрофотометра Unico 1201 с длинной волны 880 нм, предварительно окрашивая раствор.
Для определения минерального и органического фосфора использовали метод прокаливания Сандерса и Вильямса [9]. На первом этапе определяли содержание минеральных форм фосфатов путем их экстракции из почвы 0,2 н H2SO4 с последующим колориметрическим определением концентрации. Для определения органических фосфатов почву прокаливали при 500-550°С для превращения фосфоро-органических соединений в растворимые минеральные формы, затем соединения фосфора экстрагировали 0,2 н H2SO4. По превышению значений содержания фосфатов после прокаливания определяли долю органического фосфора. Поскольку данный метод не способен полностью вытеснить фосфор в раствор, в частности точность метода прокаливания составляет от 70 до 90% валового фосфора, для определения последнего использовали рентген-флоуресцентное определение фосфора (РФА). Содержание валового фосфора определяли на рентген-флуоресцентном анализаторе РеСПЕКТ (ЦКП ФГБНУ ФИЦ Почвенный институт им. В.В. Докучаева).
Анализ влияния типа землепользования и размера агрегатных фракций на содержание различных форм фосфора проведен с использованием дисперсионного анализа, включая оценку однородности дисперсий по тесту Кохрена С, Хартли, Бартлетта. Для выявления зависимости между содержанием углерода органических соединений (C, %) и различными формами фосфора, включая валовой фосфор (P2O5 val), минеральный (P2O5 min), органический (P2O5 organ) и подвижный фосфор (P2O5 mobile), проведен линейный регрессионный анализ. Результаты статистически обработаны в программном пакете Statistica 10.0.1011 Enterprise.
Результаты и обсуждение. Антропогенное воздействие определяло процентное соотношение агрегатов в исследуемых почвах (табл. 1) В случае целинной почвы косимой степи (КЗ-С) отмечалено предельно малое содержание агрегатов > 5 мм, при антропогенном вмешательстве их содержание уве-
личивалось. Также при вспашке (Кпаш и КЗ-П) снижется число агрономически-ценных агрегатов.
Содержание углерода органических соединений равномерно распределяется между всеми группами агрегатов (рис. 1). При этом величина данного показателя существенно зависит от типа землепользования: максимальное содержание органического углерода отмечалось в вариантах КЗ-С и К-ЛП (косимой степи и лесополосы), минимальное - в КЗ-П (бессменного черного пара), где непрерывно происходят процессы минерализации органического вещества.
Содержание подвижного фосфора существенно зависит от антропогенной нагрузки на исследуемые почвы (рис. 2). В целинной почве (КЗ-С) отмечена зависимость между размером агрегатов и содержанием фосфора: с уменьшением размера агрегатов уменьшается содержание фосфора. Подобная тенденция, но в меньшей степени, отмечена в почвах лесополосы. Однако в почвах, подвергающихся или подвергавшихся сельскохозяйственному воздействию, - пашни в прошлом, фосфор практически равномерно распределяется между всеми группами агрегатов. Образцы Кпаш и КЗ-П могут быть схожи за счет интенсивного воздействия агротехники (в частности, вспашки) и разрушения агрегатов, что приводит к увеличению минерализации. Также стоит учитывать регулярный внос удобрений в образец Кпаш, которые компенсируют вынос фосфора с урожаем.
6,00
К-ЛП КЗ-П Кпаш К-НТ КЗ-С
Образец почвы
Рис. 1. Содержание органического углерода, % в агрегатах чернозема типичного
1. Результаты сухого просеивания в агрегатах чернозема типичного
Образец % от общего содержания Образец % от общего содержания Образец % от общего содержания Образец % от общего содержания Образец % от общего содержания
К-ЛП Кпаш КЗ-С КЗ-П КН-Т
> 5 22,25±1,5 > 5 40,35±2,82 > 5 4,24±0,32 > 5 39,75±2,78 > 5 49,75±3,5
5-2 мм 38,7±1,93 5-2 мм 20,15±0,8 5-2 мм 26,8±1,61 5-2 мм 10,7±0,53 5-2 мм 22±1,1
2-1 мм 19,7±0,79 2-1 мм 13,65±0,68 2-1 мм 24,44±0,97 2-1 мм 11,4 ±0,46 2-1 мм 12,9±0,51
< 1 мм 19,3±1,16 < 1 мм 25,85±1,03 < 1 мм 44,11±2,21 < 1 мм 38,15±2,29 < 1 мм 15,35±0,9
Здесь и далее: К-ЛП - лесополоса, Кпаш - пашня (с возделыванием бессменной озимой пшеницы с использованием традиционной обработки), КЗ-С - косимая степь, КЗ-П - бессменный черный пар, КН-Т - применение технологии прямого посева (no-till).
Рис. 2. Содержание подвижного фосфора в агрегатах чернозема типичного
Наибольшее содержание подвижных форм фосфора было обнаружено в почве с нулевой обработкой (no-till), что связано с активным внесением удобрений и их малым выносом в связи с невысокой урожайностью данного участка.
Схожие закономерности выявлены при анализе содержания минерального и органического фосфора (рис. 3). Несмотря на относительно высокое содер-
жание органического вещества, в почвах с обработкой no-till (К-НТ) заметно увеличено содержание минеральных форм фосфора. По-видимому, это происходит вследствие внесения минеральных удобрений, нежели за счет минерализации органического вещества, поскольку для величин содержания органического фосфора перепад значений выражен в меньшей степени. Кроме того, сама технология no-till за счет отказа от вспашки должна приводить к уменьшению интенсивности процессов минерализации и выветривания. При этом с уменьшением размера агрегатов увеличивается количество минерального фосфора. Наименьшее содержание минеральных форм фосфора отмечалось в почве косимой степи (КЗ-С). Из-за отсутствия внешнего воздействия в целинной почве степи минерализации органического вещества практически не происходит, и большая часть фосфора сохраняется в органических формах, недоступных для растений, подобно данным анализа содержания подвижного фосфора. Для вариантов КЗ-П, Кпаш и К-ЛП (пара, пашни и лесополосы, соответственно) отмечены сопоставимые результаты. В случае же органического фосфора картина противоположна: наибольшее содержание
Рис. 3. Содержание минерального и органического фосфора в агрегатах чернозема типичного
к-лп КЗ-П Кпаш кн-т
Рис. 4. Содержание валового фосфора в агрегатах чернозема типичного
отмечено в варианте КЗ-С, следом идет почва лесополосы (К-ЛП), затем варианты пара и пашни (Кпаш и КЗ-П), и сравнительно наименьшая величина данного показателя была характерна для почвы с нулевой обработкой (no-till) (К-НТ), несмотря на высокое содержание органического вещества.
Содержание валового фосфора (рис. 4) изменяется для разных групп агрегатов, при этом четкой закономерности в величине данного показателя отмечено не было. Наиболее равномерно фосфор распределяется по агрегатам пашни, и для большинства вариантов оно увеличивается в агрегатах диаметром < 1 мм (за исключением варианта К-ЛП (лесополосы). Максимум валового содержания фосфора отмечается в почве К-НТ для агрегатов < 1 и 2-1 мм диаметром. В данном варианте в почву происходит непрерывное поступление фосфора с удобрениями, и наблюдается лишь небольшой отток фосфора в связи с невысокой урожайностью данного участка.
Наибольшее содержание валового фосфора в агрегатах > 5 мм отмечено в почве К-ЛП (лесополосы). Также происходит увеличение данного показателя в агрегатах < 1 мм. Как известно, под деревьями происходит накопление органического вещества вместе с опадом, что в сочетании с уменьшением интенсивности процессов минерализации может приводить к накоплению преимущественно органических форм фосфора [10].
Статистический анализ результатов посредством оценки одномерного критерия значимости позволил выявить существенную зависимость содержания под
вижного фосфора от типа землепользования: F = 11,87; p-value = 0,000042 (рис. 5). Определяющее значение при этом имеют образцы косимой степи (КЗ-С) и почвы с применением технологии no-till (К-НТ), образцы Кпаш, КЗ-П и К-ЛП не имели существенных различий (эти различия меньше НСР). Влияние типа землепользования также было подтверждено при проведении анализа на однородность дисперсий по тесту Кохрена С, Хартли, Бартлетта (рис. 6 и 7).
По данным регрессионного анализа, содержание фосфора органического вещества (мг/100 г) определяли двумя факторами: содержанием органического углерода (%) и содержанием фосфора минеральных соединений (мг/100 г). Чем выше содержание фосфора минеральных соединений, тем меньше содержится фосфора органического вещества. В свою очередь, чем больше непосредственно органического углерода, тем больше фосфора органических соединений встречается в почве (табл. 2).
Test of Homogenity of Variances (Spreads Effect: "method"
Hartley F-max Cochran С Bartlett Chi-Sqr. df P
Р205, mobile 15,28503 0,47163 10,63981 4 0,030925
Рис. 5. Дисперсионный анализ в зависимости от типа землепользования («method»)
Test of Homogenity of Variances (Spreads Effect: "size"
Hartley F-max Cochran С Bartlett Chi-Sqr. df P
P205, mobile 2,445119 0,371833 2,651643 3 0,448508
Рис. 6. Дисперсионный анализ в зависимости от размера агрегатов («size»)
Test of Homogenity of Variances (Spreads Effect: "size"*"method"
Hartley F-max Cochran С Bartlett Chi-Sqr. df P
P205, mobile 900 0,18867 12,85203 19 0,846059
Рис. 7. Дисперсионный анализ в зависимости от размера агрегатов («size») и типа землепользования («method»)
2. Результат линейного регрессионного анализа зависимости содержания фосфора _органических соединений от других факторов_
N = 16 Регрессионный анализ, P2O5 органический. R = 0,924, R2 = 0,854 F(4,11) = 16,052, p < 0,0002, Std. Error of estimate: 3,7035
b* Std. Err of b* b Std. Err of b t(11) p-value
Intercept 87, 95 7,564 11,628 0
C, % 0,649 0,135 6,498 1,35 4,813 0,0005
P2O5, валовой -0,285 0,146 -0,06 0,031 -1,959 0,0759
P2O5, минерал. -0,45 0,195 -0,393 0,171 -2,304 0,0417
P2O5, подвиж. -0,012 0,177 -0,292 4,297 -0,068 0,947
3. Результат линейного регрессионного анализа зависимости содержания валового фосфора от других факторов
N = 16 Регрессионный анализ, P2O5 валовой. R = 0,731, R2 = 0,534 F(4,11) = 3,156, p < 0,0588, Std. Error of estimate: 31,332
b* Std. Err of b* B Std. Err. of b t(11) p-value
Intercept 385,74 202,232 1,907 0,083
C, % 0,914 0,322 43,398 15,296 2,837 0,016
P2O5, подвиж. 0,002 0,316 0,187 36,361 0,005 0,996
P2O5, минерал. -0,017 0,424 -0,071 1,758 -0,04 0,969
P2O5, органич. -0,907 0,463 -4,303 2,196 -1,959 0,076
Содержание валового фосфора, в свою очередь, так же демонстрировало зависимость от содержания органического вещества (табл. 3).
Таким образом, можно сделать вывод о существенном влиянии типа и степени антропогенного воздействия как на соотношение размерных групп агрегатов, так и на содержание всех форм фосфора (валового, подвижного, минерального, органического). Содержание минерального фосфора отрицательно коррелировало с таковым органической его формы: минимум его содержания отмечен в почвах, не затронутых сельскохозяйственной деятельностью - в почвах косимой степи и лесополосы; большие значения (и, соответственно, меньшие величины содержания органического фосфора) были выявлены в почве с обработкой no-till. В почвах сельскохозяйствен-
ных угодий (в вариантах пашни и no-till), в том числе в варианте пара, содержания минерального и органического фосфора, а также органического углерода, равномерно распределяются между всеми выделенными размерными группами агрегатов во всех исследуемых системах землепользования. Зависимость содержания подвижного фосфора от размера агрегатов была отмечена только для варианта некосимой степи: его количество снижается с уменьшением размера агрегатов. Содержание валового фосфора не демонстрировало ярко выраженной зависимости от размера агрегатов и типа землепользования, при этом для большинства вариантов отмечается тенденция его увеличения в агрегатах <1 мм, наибольшее количество содержится в почвах с нулевой обработкой.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № АААА-А21-121012290189-8 «Научно-практические основы и информационное обеспечение устойчивого управления почвенно-земельными ресурсами европейской части РФ»).
Литература
1. Satyaprakash M., Nikitha T., Reddi E.U.B., Sadhana B., Satya Vani S. Phosphorous and Phosphate Solubilising Bacteria and their Role in Plant Nutrition // International Journal of Current Microbiology and Applied Sciences, 2017, V. 6, № 4. - Р. 2133-2144.
2. Макаров М.И. Фосфор органического вещества почв. - М.: ГЕОС, МГУ, 2009. - 397 с.
3. Yang X., Chen X., Yang X. Effect of organic matter on phosphorus adsorption and desorption in a black soil from Northeast // Soil & Tillage, 2019, № 187. - Р. 85-91.
4. Карпова Д.В., Чижикова Н.П., Колобова Н.А., Кононенко В.В. Анализ состояния фосфора в агросерых почвах владимирского ополья // Агрохимический вестник, 2016, № 3. - С. 15-19.
5. Дубовик Е.В. Содержание гумуса, азота и фосфора в агрегатах чернозема типичного прецизионном земледелии // Достижения науки и техники АПК, 2013, № 10. - С. 14-16.
6. Чекмарев П.А., Лукин С.В., Сискевич Ю.И., Юмашев Н.П., Хижняков А.Н. Фосфор в земледелии Центрально -черноземного района // Достижение науки и техники АПК, 2011, № 5. - С. 21-23.
7. Мамонтов В.Г., Родионова Л.П., Артемьева З.С., Крылов В.А., Клышбекова Г.К. Агрогенная и постагрогенная трансформация структурного состояния чернозема типичного Курской области // Международный сельскохозяйственный журнал, 2019, № 5(371). - С. 14-17.
8. Холодов В.А., Ярославцева Н.В., Фарходов Ю.Р., Белобров В.П., Юдин С.А., Айдиев А.Я., Лазарев В.И., Фрид А.С. Изменение соотношения фракций агрегатов в гумусовых горизонтах черноземов в различных условиях землепользования // Почвоведение, 2019, № 2. - С. 1-10.
9. Saunders W.M., Williams E.G. Observations on the determination of total organic phosphorus in soils // Journal of Soil Science, 1955, V. 6(2). - P. 254-267.
10. Иванов А.Л., Сычев В.Г., Державин Л.М., Карпова Д.В., Андрианов С.Н., Бражникова Н.В., Карпухин А.И., Кирпичников Н.А., Конончук В. Д., Самойлов М.Н. Агробиогеохимический цикл фосфора. - М.: Типография Рос-сельхозакадемии, 2012. - 512 с.
