CC BY
43
УДК 631.41
ГРАДИЕНТ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ И СВОЙСТВ ПОЧВ КАК ФАКТОР ПЛОДОРОДИЯ
В.И. Савич, д.с.-х.н., Д.Н. Никиточкин, к.с.-х.н., Д.С. Скрябина
РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, e-mail: savich.mail@gmail.com
Показано, что в системе «почва - растение» градиент концентрации веществ, окислительно-восстановительного состояния, содержания положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений катионов существует между горизонтами почв и между слоями отдельностей. Он определяет миграцию веществ по профилю почв, испарение из почв и волновое распространение веществ из зоны их расположения.
Ключевые слова: почва, градиент концентрации, миграция веществ.
THE GRADIENT OF THE PHYSICAL FIELDS AND SOIL PROPERTIES AS A FACTOR OF FERTILITY
V.I. Savich, D.N. Nikitochkin, D.S. Skryabina
It has been shown that the gradient of the physical fields in the soil-plant system is an essential characteristic of the system and an important factor of the soil formation and soil fertility.
Keywords: soil, concentration gradient, substance migration.
Плодородие почв в значительной степени определяется физическими свойствами почв, что достаточно полно освещено в литературе. Однако влияние на свойства почв электромагнитных, гравитационных, вибрационных, акустических, световых полей и полей динамических напряжений изучено недостаточно.
Для системы «почва-растение» постоянно меняющимися градиентами являются изменения давления, влажности, температуры, интенсивности солнечного света, космического излучения, излучения недр Земли, вторичными - градиенты рН, БЬ, плотности, концентрации отдельных компонентов в твердой, жидкой и газообразной фазах. При этом часть градиентов физических полей для локальных условий постоянны, часть - постоянно меняющиеся. Их рассмотрение целесообразно вести на разном иерархическом уровне. Воздействуя на систему «почва-растение» в течение длительного промежутка времени, физические поля и их градиенты существенно определяют развитие почвообразовательных процессов, а, следовательно, плодородие почв [1, 2]. В то же время, постоянные изменения давления, влажности и температуры вызывают адекватные изменения свойств почв и градиентов различных физических полей в них. Так изменение давления, влажности и температуры приводит к адекватному изменению концентрации СО2 и других газов в почвенном воздухе и, как следствие, к иным показателям БЬ, рН, микробиологической активности, содержания водорастворимых форм элементов в почвах. Геофизические поля и физические поля антропогенной природы измеряются в разных единицах и, с нашей точки зрения, оценку их воздействия на свойства почв целесообразно проводить по эффекту действия на отдельные свойства.
Объектом исследования выбраны дерново-подзолистые среднесуглинистые почвы и тяжелосуглинистые черноземы. Методика исследования состояла в оценке изменения в системе почва-растение положительно и отрицательно заряженных соединений катионов методом химической автографии на основе электролиза [3], в оценке волнового распространения окисления-восстановления, теплового поля [4, 5], в изучении миграции веществ в воздушную среду из почв и растений [6], в оценке миграции катионов под влиянием нескольких физических полей [1].
Почвенные горизонты сформировались под влиянием нисходящей, восходящей и боковой миграций вещества, энергии и информации в почвенном профиле, и являются сами геохимическими барьерами, создающими в почве градиент различных физических полей. Изменение градиентов физических полей в почве взаимосвязано и взаимообусловлено. Так, при замерзании почв катионы и анионы движутся к промерзающему слою, а при наличии многолетней мерзлоты - к мерзлотному слою. Это обусловлено термопереносом влаги, однако температура существенно влияет на процессы ионного обмена, движение ионов к промерзающему слою обусловлено и возникновением при промерзании градиентом окислительно-восстановительного потенциала. При высоких температурах поверхности отмечается миграция веществ к иссушаемому слою и, в частности, подтяжка железа к верхнему горизонту мерзлотно-таежных почв [1, 4].
В наших исследованиях показана миграция веществ и микроорганизмов в виде положительно и отрицательно заряженных соединений под влиянием градиента электрического поля. Градиентом различных физических полей обусловлена миграция веществ в почвенном профиле, образование осадков в отдельных горизонтах (геохимических барьерах). Например, образование иллювиального горизонта при формировании подзолистых и дерново-подзолистых почв обусловлено более нейтральной реакцией среды в горизонте В, более высокой величиной БЬ в нем, уплотнением горизонта, пересыщением нисходящих растворов по Бе, Мп, А1, Са, Mg. При этом градиенты БЬ и рН между горизонтами существуют постоянно. В то же время, как правило, в почве одновременно протекает несколько процессов, и в их взаимодействии проявляется принцип эмерджентности, явления синергизма и антагонизма. Так, при элюировании катионов из горизонта А2 подзолистых почв их миграция обусловлена в основном гравитационным полем, но подвижность определяется рН и количеством кислых мигрирующих продуктов, БЬ и количеством восстановленных продуктов, а также константой полувосстановления КЯ, константой устойчивости образующихся комплексов и количеством в почвенном растворе лиган-дов, участвующих в комплексообразовании. Миграция
определяется количеством мигрирующей воды и скоростью ее миграции, а также закономерным изменением данных процессов во времени. Осаждение, например, железа в горизонте В определяется щелочным барьером (в карбонатных почвах - карбонатным барьером), окислительным барьером, пересыщением по железу мигрирующих железо-органических комплексов, изменением плотности, температуры и т.д. Совместное влияние нескольких факторов на миграцию веществ в почвенном профиле оценивается с учетом правила сложения векторов.
Как правило, в почве существуют градиенты физических полей между твердой, жидкой и газообразной фазами [4]. При орошении градиент существует между слоями воды на разном расстоянии от почвы. Так, на черноземе, залитом водой, через 14 дней величина БИ (мв по ХСЭ) составляла в воде 165 мв, 1-3 см от поверхности +80; около почвы -80 мв. Градиент БИ равнялся 245 мв. На дерново-подзолистой почве рассматриваемые показатели были соответственно равны +145 мв; -120 и -180 мв. Градиент БИ составлял 325 мв. Соответственно изменялся градиент концентраций катионов и анионов.
Значительный градиент БИ и концентрационных потенциалов существует между слоями структурных от-дельностей [4]. Так, внешняя часть структурных отдель-ностей горизонта А2В слабоокультуренной дерново -подзолистой почвы и ее внутренняя часть содержали Са соответственно 2,6 и 3,5 мг/л, К - 1,1 и 0,7, то есть внешние слои были обеднены кальцием. Для хорошо окультуренной почвы содержание элементов, вытесняемых из почв методом химической автографии на основе электролиза, составляла для внешних и внутренних слоев соответственно Са - 7,6 и 3,9; К - 1,2 и 0,9; N03 -1-10-2 и 1-10-3; активность Mg - 8-10-5 и 5-10-5 м/л, то есть внешняя часть отдельностей, по сравнению с внутренней, была обогащена Са, Mg, К, N0^
В почвах бореального пояса в составе компонентов почвенного поглощающего комплекса преобладают аци-доиды, т.е. почва заряжена отрицательно, а атмосфера большую часть времени заряжена положительно. Разность плотности отрицательно и положительно заряженных сорбционных мест существует между почвами в катене, между отдельными горизонтами и мезозонами почв, между почвой и корней, корнем и стеблем, стеблем и листьями разных ярусов. Это определяет миграцию катионов и анионов в почве и поступление их в растения. Так, растения, имеющие большую высоту, имеют преимущественное поглощение анионов [2]. Особенно большое значение это имеет для плодовых культур, у которых больше, чем у травянистых растений, высота и на большую глубину проникают корни. Данный фактор определяет и особенности моделей плодородия почв под плодовые культуры.
В то же время каждый горизонт почв имеет отличительные свойства. Градиенты физических полей существуют между отдельными горизонтами, в каждом горизонте между корнем и почвой и в растении между корнем, стеблем и листьями. Взаимовлияние этих градиентов на процессы метаболизма растений, к сожалению, не исследовано. Например, в дерново-подзолистых почвах большая масса деятельных корней расположена в верхнем слое и в иллювиальном горизонте. В бесплодном горизонте А2 их количество меньше. Это вызывает усиление тока воды и растворенных в ней веществ вниз по профилю и к гумусовому слою с формированием новых
градиентов физических полей в почвенном профиле.
В почве присутствуют положительно и отрицательно заряженные соединения катионов и анионов, представленные их комплексами, в основном с органическими лигандами. Положительно заряженные соединения фосфатов представлены их металло-органо-фосфорными комплексами. При большей гумусированности почв доля комплексных соединений возрастает. В растениях, по сравнению с почвой, больше отрицательно заряженных соединений катионов, связанных в комплексы с продуктами метаболизма растений.
Наличие соединений, движущихся к катоду и аноду, установлено и у микроорганизмов, и у органических веществ почв. Очевидно, что при отрицательном заряде почв отрицательно заряженные комплексные соединения катионов мигрируют легче, чем положительно заряженные. Чем больше плотность заряда ацидоидов почв и чем больше плотность заряда катионов, тем в большей степени затруднена миграция.
Наличие в почвенном растворе комплексных соединений различного знака заряда и размера необходимо учитывать и при оценке сорбционных свойств почв, констант ионного обмена, поглощения ионов растениями. Как видно из данных таблицы 1, подвижные соединения железа и меди в значительной степени присутствуют в почве в виде комплексных отрицательно заряженных соединений, а кальций - в виде положительно заряженных катионов.
По полученным нами данным, в растениях клевера хорошего и плохого состояния, развивающихся на дерново-подзолистых почвах с оглеением в пониженных элементах микрорельефа на участках избыточного увлажнения отмечалось более узкое отношение в стеблях Са/Бе и (Са + Mg)/(Fe + Мп). Это обусловило угнетение растений (табл. 2).
Градиент концентраций между почвой и прикорневой зоной растений зависит от содержания подвижных и усвояемых форм биофильных элементов в почвах. При недостатке элемента в почве содержание его подвижных форм в прикорневой зоне, по сравнению со всей массой почвы, уменьшается.
Например, в прикорневой зоне пшеницы на слабо-окультуренной дерново-подзолистой почве, по сравнению с остальной массой почвы, меньше подвижных соединений кальция, цинка, положительно заряженных соединений магния, но больше железа. При увеличении степени окультуренности почв с увеличением рН среды недостаток для растений кальция, магния и цинка уменьшается, и возникает недостаток железа, что иллюстрируется данными таблицы 3.
1. Содержание в почвах положительно и отрицательно заряженных соединений катионов, мг/100 г (1 = 0,1а; ф = _ 10в, 1 = 10 мин.)
Почва Заряд соединений Fe Са Си
Дерново-подзолистая - 0,4 0,7 2,2
+ 0,3 59,0 0,2
Чернозем - 0,4 0,4 2,5
+ 0,3 100,0 0,4
Краснозем - 0,4 2,5 3,1
+ 0,6 28,5 0,4
Серозем - 1,0 12,6 2,2
+ 0,8 82,0 0,3
Растения целенаправленно изменяют свойства прикорневой зоны, подкисляя ее в карбонатных почвах, подщелачивая - в кислых, повышая БЬ в оглеенных и выделяя комплексоны в карбонатных почвах. Это приводит и к изменению градиентов концентрационных и электрических потенциалов. Так, рис выделяет через корни кислород и окисляет почву в прикорневой зоне. По нашим данным, величина БЬ (мв по ХСЭ) составляла в почвах избыточного увлажнения и в прикорневой зоне растений риса, развивающихся на них, следующие величины: в дерново-подзолистой почве соответственно -152 мв и -58 мв, в каштановой почве 10 и 68 мв.
Так как в разных частях растений состав продуктов метаболизма неоднозначен, то и концентрация ионов, и БЬ клеточного сока в разных органах отличается. Это обусловливает и разность потенциалов между органами, и возможность движения ионов от почвы к корню и от корня к листьям под влиянием разности потенциалов. В полевых условиях нами оценивалась разность потенциалов между 2 платиновыми электродами, помещенными в разные зоны растений. Разность потенциалов наблюдалась между верхней и нижней гранью листов, верхними и нижними листьями и т.д. Так, для картофеля потенциал между корнем и стеблем на расстоянии 10 см от корня составлял -110 мв, на расстоянии 20, 30, 40 см от корня соответственно -80, -60, -56 мв.
Почвенные процессы связаны с миграцией веществ в атмосферу, как за счет испарений из почв, так и за счет транспирации растений [6]. При этом в продуктах трансформации и испарений обнаружены как катионы и анионы, так и органические и комплексные соединения. По нашим данным, в конденсате влаги, испарявшейся из пойменных почв таежно-лесной зоны, содержание калия составляло 5,5 ± 4,1 мг/л; кальция 1,2 ± 0,1; магния - 0,3 ± 0,2; железа - 4,2 ± 3,7 мг/л; марганца - 0,01 мг/л. В конденсатах влаги из автоморф-ных почв концентрация элементов составляла: Мп -0,07-0,3 мг/л; РЬ - 0,1-0,2; Бе - 0,2-0,8; Mg - 1,4-1,9; гп
- 0,04-0,10; Си - 0,04-0,10 мг/л. Концентрация катионов в продуктах транспирации растений составляла: Бе
- 0,04; Си - 0,04; гп - 0,03; РЬ до 0,2 мг/л, при концентрации свинца в продуктах транспирации некоторых растений вблизи автотрассы до 0,25 мг/л.
При внесении удобрений и мелиорантов в почву, наличии зон окислителей и восстановителей от них отмечается волновое распространение концентраций. Так, в дерново-подзолистой почве оптимального увлажнения в зоне внесения КМпО4 величина БЬ (мв по ХСЭ) составляла 356,0 ± 54,2 мв; на расстоянии 3 см
- 276,2 ± 33,7; на расстоянии 6 см - 256,2 ± 30,2, а на этих же почвах избыточного увлажнения соответственно 260,0 ± 15,3; 232,5 ± 18,6 и 147,5 ± 15,8 мв (п = 8). Искусственное создание градиентов физических полей для повышения урожайности достигается ленточным внесением удобрений, созданием центров осадкообразования [5].
Передвижение веществ в почве протекает под влиянием градиента нескольких физических полей, эффект действия которых в ряде случаев имеет разный вектор. В наших исследованиях миграция калия с водой вниз по профилю чернозема проходила как под
2. Содержание (мг/100 г) и соотношение положительно и отрицательно заряженных соединений в системе почва-растение на посевах клевера хорошего (в числителе) и плохого (в знаменателе) состоя-
ния ( п = 20)
Параметр Почва Корни Стебли, листья
БеЬп+ 0,29±0,01/0,27±0,01 8,0±2,4/4,1±1,4 4,1±0,6/7,5±1,5
БеЬп- 4,3±0,5/4,3±0,2 18,2±3,4/13,3±1,7 4,3±0,6/9,6±1,3
Са/Бе 13,2±1,4/20,0±3,3 2,8±0,3/4,5±0,4 3,9±0,6/1,5±0,5
(Са + Mg) /(Бе + Мп) 14,4±1,5/18,2±1,7 3,6±0,5/6,1±0,6 4,9±0,7/3,1±0,9
3. Изменение содержания подвижных соединений элементов в прикорневой зоне по сравнению с ос-
Вариант Заряд соединений CaL MgL FeL ZnL
Слабоокульту- + -97 -86 64 -80
ренная - -49 143 185 -56
Хорошо + -64 -15 -23 -17
окультуренная - -42 -37 -50 -28
влиянием гравитационного поля вниз, так и под влиянием электрического поля в боковом направлении. В верхней части образца содержание водорастворимого калия составляло в центре 31,6 ± 0,4 мг/л, у катода - 129,5 ± 85,0; у анода - 19,8 ± 4,6; в нижней части искусственного профиля - в центре - 5,0 ± 0,1; у катода - 149,2 ± 69,9; у анода - 30,3 ± 16,2.
Миграция определенных соединений под влиянием одного физического поля приводит к возникновению градиентов других физических полей и к возникновению миграции других ионов в иных направлениях. В живой почве потоки вещества в нее, из нее и внутри самой почвы протекают постоянно. При этом разные соединения под влиянием градиентов разных физических полей движутся и в различных направлениях.
Таким образом, в катене между почвами на отдельных элементах мезо- и микрорельефа, между горизонтами почв, между разными гранями и слоями структурных от-дельностей, в системе почва-растение существуют градиенты концентрационных полей, которые определяют миграцию веществ, эволюцию почв и их плодородие. Регулирование градиента этих полей может стать одним из способов повышения плодородия почв и биопродуктивности угодий.
Литература
1. Савич В.И., Саидов А.К., Норовсурэн Ж. и др. Геофизические поля как фактор почвообразования // Известия ТСХА, 2009, № 3. - С. 1-4.
2. Журбицкий З.И. Физиологические и агрохимические основы применения удобрений. - М.: АН СССР, 1963. - 293 с.
3. Савич В.И., Сычев В.Г., Трубицина Е.В. Химическая автография системы почва-растение. - М.: ВНИИА, 2001. - 275 с.
4. Савич В.И., Кауричев И.С., Шишов Л.Л., Амергужин Х.А., Сидоренко О.Д. Окислительно-восстановительные процессы в почвах, агрономическая оценка и регулирование. -Костанай, 1999. 404 с.
5. Савич В.И., Сычев В.Г., Замараев А.Г. Энергетическая оценка плодородия почв. - М.: ВНИИА, 2007. - 500 с.
6. Гехаев Т.Я. Миграция ионов из почв и растений в атмосферу / Автореф. канд. дисс. - М.: ТСХА, 1984. - 16 с.
