CC BY
27
УДК 631.41.03:631.445.2
ИОНООБМЕННАЯ СПОСОБНОСТЬ И МИГРАЦИЯ ВЕЩЕСТВ В ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПАХОТНЫХ ПОЧВАХ
Ion-Exchange Capacity and Substance Migration in Sod-Podzolic Arable Soils
Яковлева Л.В., доктор с.-х. наук, главный н.сотр., livlaya@mail.ru;
Николаева Е.А., аспирант
Yakovleva L. V., Nikolaeva E.A.
ФГБНУ «Ленинградский научно-исследовательский институт сельского хозяйства «Белогорка», ул. Институтская, д.1, д. Белогорка, Гатчинский р-н, Ленинградская обл., 188338 Leningrad Research Institute of Agriculture Science «Belogorka»
Реферат. В статье приводятся результаты исследований в длительном полевом и модельных опытах на дерново-подзолистых пахотных почвах Северо-Западного региона с целью повышения их плодородия и снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду. Длительное применение минеральных удобрений усиливает миграцию оснований по профилю почвы в 1,3-4,1 раза в зависимости от дозы удобрений, выращиваемой культуры, дозы извести, гранулометрического состава почвы. Минеральные удобрения и известкование почвы влияют на формирование структуры почвенной кислотности и продолжительность действия извести. Ежегодное снижение реакции в пахотных почвах Северо-Запада РФ за счет вымывания оснований составляет около 0,02 ед. рН и достигает в произвесткованных почвах 0,06 ед. рН. При увеличении емкости поглощения почвы за счет внесении сорбентов-ионообменников вымывание веществ в дерново-подзолистых почвах снижается в среднем в 1,5-3 раза. Показана возможность сохранения плодородия почвы путем внесения веществ, повышающих емкость катионного и анионного обмена почвы.
Summary. The article presents the study results of long-term field and model experiments on sod-podzolic arable soils of the North-Western region in order to increase their fertility and reduce the anthropogenic load on the environment. Long-term application of mineral fertilizers increases base migration 1.3-4.1 times in the soil profile, depending on the dose of fertilizers, the grown plants, the lime dose, and granulometric composition of the soil. Mineral fertilizers and soil liming affect the formation of soil acidity structure and lime duration. The annual decrease in the reaction in arable soils of the North-West of the Russian Federation due to leaching of bases is from 0.02 to 0.06 pH. When introducing substances with high absorption capacity into the soil, leaching is reduced by an average of 1.5-3 times. At the same time, it is shown that introducing substances, increasing the capacity of cation and anion exchange, may preserve soil fertility.
Ключевые слова: ионообменная способность почвы, плодородие, мелиоранты, удобрения, миграция веществ
Key words: ion exchange soil capacity, fertility, ameliorants, fertilizers, migration of substances.
Введение. Ионообменные процессы в почве регулируют перераспределение ионов между поверхностью почвенных частиц и почвенным раствором. Механизмы этих процессов быстро реагируют на изменение внешних условий в результате естественных или антропогенных воздействий на почву [1]. Предшествующими исследованиями установлено [2], что в произвесткованных почвах Северо-Западного региона РФ наблюдается значительная миграция кальция и других элементов питания растений по профилю почвы и вымывание их в нижележащие слои и грунтовые воды. В результате этого изменяется агроэкологическая обстановка в регионе и сокращается срок действия извести. Изменяя тем или иным способом емкость поглощения почвы можно регулировать емкость катионно-го и анионного обмена. В результате изменяется миграционная способность различных веществ в почве. Мы предположили, что при внесении в почву ионообменников природного или искусственного происхождения, можно регулировать миграцию веществ в почвах с потоками атмосферной влаги, то есть способствовать сохранению плодородия почвы.
Материал и методика исследований. Исследования проводили в длительном полевом опыте, заложенном на дерново-подзолистой супесчаной почве в 1981 году и продолжающемся до настоящего времени и в модельных лизиметрических и лабораторных опытах. Схема полевого опыта включает 6 уровней известкования на 4 фонах удобренности. В задачи исследований входило: 1.- Изучение влияния извести и минеральных удобрений на ионообменную способность дерново-подзолистой почвы. 2.- Изучение изменения емкости поглощения почв под влиянием известкования, минеральных
удобрений и некоторых сорбентов-ионообменников. 3.- Сравнение влияния некоторых агрохимических средств на миграцию веществ в почве.
Для решения поставленных задач на контрастных вариантах длительного полевого опыта изучали изменения свойств почвы, отобранной с глубины 0-20; 20-40 и 40-60см. Лизиметрические исследования проводили в насыпных лизиметрах собственной конструкции, вмещающих по 33 кг почвы с полевого опыта. Модельные опыты проводили в лабораторных условиях в пластиковых колонках на почве с защитной полосы длительного полевого опыта.
Использовали общепринятые методы анализа. Ионообменную способность почв определяли в вытяжке 1н КС1: рН - потенциометрически; обменные кальций и магний - трилонометрически; обменную кислотность и подвижный алюминий - по Соколову. Обменные формы фосфатов определяли по Кирсанову с фотометрическим окончанием; подвижный калий - по Кирсанову с ионометриче-ским окончанием; гидролитическую кислотность - по Каппену; емкость поглощения почвы - по Ай-диняну; гумус - по Тюрину. Анализ лизиметрических и промывных вод проводили согласно «Методическим указаниям по проведению исследований с изотопом азота 15N и определению элементов питания в лизиметрических водах»[3]. Для оценки полученных результатов использовали статистические методы анализа.
Результаты исследований и их обсуждение.
Перед закладкой полевого опыта в 1981 году были отобраны образцы исходной почвы с каждой делянки опыта. Площадь опыта 1,2 га, поэтому, чтобы учесть естественную пестроту свойств, мы проводили сравнение изменения различных свойств почвы во времени поделяночно.
Мы сравнили уровни реакции (рНКС1) исходной почвы, в 1981 году (первый год после внесения извести) и в настоящее время. Затем были определены средние значения ДрН по вариантам (табл. 1). Через 36 лет после известкования реакция почвы вернулась к исходному уровню, а на вариантах внесения малых доз извести (до 1,0Нг) и контролях при длительном внесении минеральных удобрений наблюдали статистически доказанное снижение уровня рН относительно исходной почвы. Это связано с увеличением миграции оснований в нижележащие слои почвы под действием удобрений. В наших лизиметрических исследованиях под действием удобрений миграция кальция в нижележащие слои почвы увеличивалась под яровой пшеницей в 2,0 - 4,1 раза, под клевером - в 1,3 - 2,2 раза в зависимости от дозы извести. Это подтверждается и результатами анализов образцов почв, отобранных с разной глубины на контрастных вариантах полевого опыта. Ежегодное снижение величины рН на произвесткованных делянках было значительно больше, чем в почве вариантов без внесения извести, что закономерно и объясняется присутствием большего количества кальция в почве.
Таблица 1 - Изменение рН почвы полевого опыта под влиянием извести и минеральных удобрений
Доза извести Фон удобрений рН при закладке опыта рН1981, после известкования рН2016 Среднегодовое снижение рН
по вариантам по дозам извести
0 Без удобрений 4,53 4,75 4,23 0.014 0,019
Средний 4,54 4,84 4,02 0,023
Высокий 4,57 4,37 3,68 0.019
1,0Нг Без удобрений 5,0 7,23 5,13 0,058 0,066
Средний 4,89 7,34 5,26 0,058
Высокий 4,89 7,40 4,48 0.081
2,5Нг Без удобрений 5,03 7,47 5,37 0.058 0,063
Средний 5,23 7,57 5,21 0.066
Высокий 5,54 7,48 5,16 0,064
НСР05 0,53 0,44
Ошибка опыта,% 1,38 1,57
Величина обменной кислотности изменялась закономерно и вполне объяснимо. Длительное применение повышенных и высоких доз минеральных удобрений существенно повышало обменную кислотность как неизвесткованной, так и известкованной неполными дозами извести дерново-подзолистой супесчаной почвы. Высокие дозы извести (по 2,5Нг) через 36 лет после известкования еще сохраняли свое положительное действие на обменную кислотность почвы.
Таблица 2 - Влияние извести и минеральных удобрений на обменную кислотность и содержание подвижного алюминия в дерново-подзолистой почве (в числителе - обменная кислотность; в знаменателе - подвижный алюминий, м-экв. на 100 г почвы)
Фон удобрений Среднее по В
Доза извести в долях Нг без удобрений средний повышенный высокий (известь) НСР05 = 0,150 0,159
0 0,698 0,781 0,926 1,042 0,839
0,685 0,723 0,868 0,984 0,815
0.25 0,449 0,434 0,579 0,796 0,564
0,391 0,376 0,521 0,738 0,506
0.5 0,405 0,420 0,579 0,651 0,514
0,347 0,362 0,521 0,593 0,456
1.0 0,130 0,116 0,168 0,449 0,216
0,058 0,029 0,116 0,391 0,148
2.0 0,087 0,143 0,111 0,458 0,200
0,029 0,086 0,056 0,403 0,143
2.5 0,083 0,125 0,111 0,111 0,108
0,028 0,069 0,056 0,056 0,052
Среднее по А (удобрения) НСР05 = 0,120 0,294 0,256 0,336 0,274 0,412 0,356 0,584 0,527
0,127
НСР05 для сравнения частных средних = 0,302/0,299
Результаты анализов почвы длительного опыта (табл. 2) показывают, что обменная кислотность данной почвы связана в основном с присутствием в ППК подвижного алюминия. Через 36 лет после внесения полной и удвоенной доз извести наблюдается еще положительное их действие. Хотя тенденция повышения высвобождения подвижного алюминия при использовании высоких доз удобрений сохраняется.
Применение высоких доз удобрений повлияло и на величину гидролитической кислотности. Малые дозы извести (по 0,25Нг и по 0,5Нг) практически исчерпали свое действие и не оказывали существенного влияния на величину гидролитической кислотности, а применение удобрений существенно повышало ее на этих вариантах. Даже на почвах, где известь была внесена по 2,0Нг и 2,5Нг. наблюдается повышение гидролитической кислотности по сравнению с почвой, где минеральные удобрения не вносили.
Таким образом, как известкование, так и длительное применение минеральных удобрений, оказывают существенное влияние на ионообменную способность почвы, в частности, на кислотность почвы и ее структуру.
Чем больше емкость поглощения почвы и чем выше насыщенность почвы основаниями, тем большей буферностью обладает по Д.Н.Прянишникову [4] такая почва, то есть способностью противостоять изменению сложившегося в почве равновесия, тем более стабильна система. Определение емкости поглощения показало, что в дерново-подзолистых почвах Северо-Запада её величина зависит прежде всего от гранулометрического состава и содержания гумуса. Емкость поглощения почв увеличивается на 3.. .31% при известковании почв различного гранулометрического состава до рН 5 и на 28...59% - при внесении извести для доведения реакции почвы до рН 7 (рис. 1). Это связано с освобождением после известкования мест обмена в ППК, блокированных ранее алюминием и является, как установлено А.Н.Небольсиным [5], следствием его осаждения в виде нерастворимых гидроксидов и вовлечением в реакции обмена карбоксильных и отчасти гидроксильных групп гумусовых веществ. По А.В.Возбуцкой [6] , чем выше реакция почвы, тем в большей мере ионы водорода внешнего слоя коллоидов способны замещаться основаниями.
Как известно, в реакциях катионного обмена почвенный поглощающий комплекс проявляет себя как анион кислотной природы. На его поверхности существуют сильнокислотные и слабокислотные обменные позиции, определяемые по гетерополярному (ионному) и ковалентному (полярному) связыванию обменно адсорбируемых водородных ионов. Сильнокислотные позиции представлены базальными поверхностями глинистых структур и являются результатом неэквивалентного изоморфного замещения в октаэдрическом и тетраэдрическом слоях решетки. В отдельных случаях к сильным ацидоидам почвы относятся относительно сильные органические кислоты негумусовой природы и,
отчасти, гумуса. Слабокислотные позиции представлены протонами диссоциирующих гидроксидов боковых поверхностей глинистой решетки и гумусовых кислот. Оба вида позиций почвенного поглощающего комплекса в реакциях катионного обмена участвуют различно из-за различного отношения к концентрации водородных ионов в окружающем почвенном растворе. Определение катио-нообменной емкости по методике С.Ганева [7] (определение общего количества отдельных элементов при вытеснении их 1н раствором уксуснокислого бария с рН 8,2) показало, что известкование не оказывает влияния на емкость поглощения почв, обусловленную сильнокислотными ацидоидами. Емкость поглощения в произвесткованных почвах увеличивается за счет слабокислотных обменных позиций органического вещества почвы и уменьшается при внесении минеральных удобрений.
10
Ёмкость 8 поглощения, мг-экв./100г 6
4 2 0
1- песчаная почва
без удобрений №0Р60К60 1Ч120Р120К120
□ без извести □ известь до рН 5 □ известь до рН 7
15
Ёмкость поглощения, мг-экв./100г
10
2 - супесчаная почва
без удобрений №0Р60К60 1Ч120Р120К120
□ без извести □ известь до рН 5 □ известь до рН 7
5
0
3 - легкая глина
Ёмкость поглощения, мг-экв./100г
25 20 15 10 5 0
без удобрений №0Р60К60 1Ч120Р120К120
□ без извести □ известь до рН 5 □ известь до рН 7
Рисунок 1. Влияние известкования на изменение емкости поглощения почв различного гранулометрического состава (классификация состава почв - по Качинскому)
Сопоставление емкости катионного обмена дерново-подзолистой супесчаной почвы с агрохимическими показателями выявило высокую тесноту связи на высоком уровне значимости (табл. 3).
Таблица 3 - Связь емкости катионного обмена (ЕКО) с некоторыми агрохимическими показателями почвы
Показатель Коэффициент корреляции Спирмена (rs) Теснота связи по Чеддоку Критическое значение rs
Р=0,05 Р=0,01
рН ЕКО 0,781 высокая 0,330 0,430
Нобм ЕКО 0,722 высокая 0,330 0,430
Са+Мя ЕКО 0,831 высокая 0,330 0,430
Органическое вещество ЕКО 0,729 высокая 0,330 0,430
То есть, повышая тем или иным способом емкость катионного и анионного обмена почвы, можно снизить вероятность деградации плодородия. Помочь в решении этой проблемы могут вещества, обладающие большой поглотительной способностью. Мы предположили, что внесение элементов питания растений в почву в адсорбированном на ионообменниках состоянии, должно снижать потери от вымывания, главным образом, кальция, что поможет стабилизации системы, увеличению срока действия извести. Если иметь в виду катионы, то с этой целью могут использоваться природные ионообменники, например, цеолиты. Для моделирования ионообменной способности почв мы использовали в опытах иониты, насыщенные элементами питания растений в эквивалентных простым удобрениям количествах и чистые иониты для увеличения емкости поглощения почв. Анализ лизиметрических вод показал, что вымывание кальция при внесении смеси простых удобрений совместно с ионитами снижалось в 1,75 раза на неизвесткованной почве и в 1,4 раза при известковании до рН 7,0. При внесении в почву ионитов, насыщенных элементами питания, вымывание кальция снизилось соответственно в 3,5 и 1,7 раза. Использование ионообменников снижало вымывание органических веществ. Аммиачные формы удобрений на катионитах слабо защищены от непроизводительных потерь, особенно на произвесткованных почвах, а миграция нитратов ионитных удобрений относительно смеси простых удобрений снижалась в 2,5 - 3 раза. Внесение в почву ионитов в смеси с простыми удобрениями позволило снизить вымывание нитратов относительно вариантов применения смеси простых удобрений от 1,6 раза в кислой почве до 3 раз при известковании почвы по полной гидролитической кислотности.
Таким образом, известкование и применение минеральных удобрений оказывают существенное влияние на ионообменную способность почвы, в частности, на кислотность почвы и ее структуру. Внесение в почву сорбентов-ионообменников - один из путей повышения емкости поглощения почвы. В результате снижается вымывание оснований и других веществ по профилю дерново-подзолистой почвы, что способствует сохранению ее плодородия. Разработка дешевых искусственных ионообменников позволит на их основе создавать экологически безопасные удобрения, сделать применение этих удобрений экономически выгодным, особенно если учитывать экологические последствия. Применение их позволит значительно снизить потери от вымывания кальция - важнейшего элемента для стабилизации почвенного поглощающего комплекса и плодородия почвы.
Библиографический список
1. Пинский Д.Л. Ионообменные процессы в почвах. Пущино, 1997. 166 с.
2. Яковлева Л.В. Экологические аспекты известкования дерново-подзолистых почв Северо-Запада России: автореф. дис. ... д-ра с.-х. наук. СПб.: Пушкин, 2009. 45 с.
3. Методические указания по проведению исследований с изотопом азота 15N и определению элементов питания в лизиметрических водах. М., 1978. 30 с.
4. Прянишников Д.Н. Агрохимия. М.: Колос, 1965. 706 с.
5. Небольсин А.Н. Известкование - средство коренного улучшения кислых почв. Л.: Лениздат, 1979. 134 с.
6. Возбуцкая А.Е. Химия почвы. М., 1968. 426 с.
References
1. Pinsky D.L. Ion-exchange processes in soils.- Puschino.- 1997.- 166p.
2. Yakovleva L.V. Ecological aspects of sod-podzolic soil liming of the North-West of Russia. - Abstract of Diss....Doctor of Agricultural Sciences. (Specialty-06.01.04.- Agrochemistry) - Saint-Petersburg - Pushkin, 2009.- 45 p.
3. Methodical instructions on carrying out researches with 15N isotope and determination of nutrients in lysimetric waters.-M.-1978.- 30p.
4. Pryanishnikov, D.N. Agrochemistry.-M. : Kolos.- 1965.- 706p.
5. Nebol'sin A.N. Liming as a means of radical improvement of acidic soils.-Lenizdat.- 1979.- 134 p.
6. Vozbutskaya A.E. Soil Chemistry.-Moscow: 1968.-426p.
УДК 631.58:631.1
РЕГИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ ЗЕМЛЕДЕЛИЯ В УСЛОВИЯХ ИНТЕНСИФИКАЦИИ АГРАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Regional Features of Farming Agriculture under Intensification ofAgrarian Production
Ильвес А.Л., к. с.-х. н., ст. н. с., вед. н. с., lenniish@mail.ru Смолина Л.П., ст. н. с., ostrenkosmolina@mail.ru
Ilves A.L., Smolina L.P.
ФГБНУ «Ленинградский научно-исследовательский институт сельского хозяйства «Белогорка», ул. Институтская, д.1, д. Белогорка, Гатчинский р-н, Ленинградская обл., 188338 Leningrad Research Institute of Agriculture Science «Belogorka»
Реферат. Ленинградская область является наиболее успешным производителем сельскохозяйственной продукции в Северо-Западном федеральном округе. Промышленное птицеводство и молочное скотоводство обеспечивают свыше 80% товарной продукции. Производство молока устойчиво возрастает на протяжении ряда лет. На фоне очевидных успехов аграрного производства в области имеются определенные проблемы в сфере использования сельскохозяйственных угодий. В течение ряда лет в регионе прослеживается четкая тенденция сокращения площади посевов. Сельскохозяйственные предприятия Ленинградской области прекратили возделывать озимую рожь, резко сократили посевы овса. В тоже время существенно расширились посевы ячменя, значительные площади отводятся под посевы пшеницы. Это обусловлено тем, что зерновое хозяйство является составной частью кормопроизводства. Производители молока стараются достигнуть высокой производительности скота за счет увеличения в рационах доли концентрированных кормов. Поскольку корма собственного производства имеют более низкую себестоимость, чем продукция комбикормовой промышленности, то сельскохозяйственные производители расширяют площади посевов зерновых культур. Практически всё производимое зерно, за вычетом потребителей в семенном материале, используется для нужд молочного скотоводства. Однако потребности отрасли в концентрированных кормах за счет собственного производства полностью не удовлетворяются. Это позволяет прогнозировать тенденцию расширения посевов зерновых и в последующие годы. На практике структура посевов конкретного сельскохозяйственного предприятия может существенно отличаться от обобщенных показателей по региону. В пореформенный период наблюдается углубление специализации сельскохозяйственных производителей. Необходимо увеличение объемов производства сельскохозяйственной продукции не только за счет интенсивного развития отдельных хозяйств, но и разумного использования экстенсивных факторов, в частности, расширения посевных площадей, увеличения поголовья животных.
Summary. The Leningrad region is the most successful producer of agricultural products in the North-West Federal District. Industrial poultry farming and dairy cattle breeding provide over 80% of marketable produce. The milk production has steadily been increasing over the years. Against the background of the obvious success of agrarian production in the region, there are certain problems in the sphere of agricultural land use. For a number of years in the region there has been a pronounced tendency towards the reduction in area under crops. Agricultural enterprises of the Leningrad Region stopped cultivating winter rye, sharply reduced the area under oats. At the same time, the areas under crops of barley and wheat have increased significantly. This is due to the fact that the grain production is an integral part of feed production. Milk producers try to achieve high productivity of livestock by increasing the proportion of concentrated fodder in rations. Feeds of own production have a lower cost price than the products of the feed mill industry. Therefore, agricultural producers expand the area of grain crops. Almost all the grain produced is used for the needs of dairy cattle-breeding. However, the concentrated feeds of own production are not enough to satisfy all the needs of the industry. This makes it possible to predict the trend of expansion of grain crops in the following years. In practice, the structure of crops of a particular agricultural enterprise may differ sig-
