CC BY
99
УДК 630*181:630*385.1
КОНОВАЛОВ Валерий Николаевич, кандидат биологических наук, доцент кафедры экологии и защиты леса Северного (Арктического) федерального университета. Автор более 110 научных публикаций, в т.ч. двух монографий
ОСОБЕННОСТИ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ ЕЛИ НА ОСУШЕННЫХ И УДОБРЕННЫХ ТОРФЯНЫХ ПОЧВАХ СЕВЕРА
Изучено влияние интенсивности осушения в комплексе с внесением минеральных удобрений на питательный режим торфяной почвы и содержание азота, фосфора и калия в органах и тканях ели. Показано, что осушение заболоченных ельников увеличивает запасы питательных элементов в почве и органах ели, а удобрения ведут к дальнейшей оптимизации ее питания.
Ель, минеральное питание, осушение, удобрения, торфяная почва
Введение. Одним из основных показателей, определяющих потенциальное плодородие лесных почв, является содержание в них основных элементов питания и прежде всего количества элементов, находящихся в доступной для растений форма. В литературе отмечается, что по количеству подвижных элементов болотные почвы разного генезиса различаются мало [1]. Это положение подтверждается и при исследовании осушаемых торфяных почв [2]. Исследования по осушительной мелиорации избыточно увлажненных лесов и применения удобрений показывают, что на эдафическом уровне имеются значительные возможности повышения продуктивности лесов до пределов, ограничиваемых климатическими факторами [3]. Однако, несмотря на значи-
© Коновалов В.Н., 2011
тельный объем выполненных по осушению работ, питательный режим торфяных почв под хвойными лесами после их осушения в условиях Севера остается недостаточно изученным, а данные химического состава таких почв после внесения в них удобрений практически отсутствуют. В то же время отсутствие таких данных в значительной степени сдерживает получение ответов на вопросы, связанные со специфичностью действия удобрений на биологическую продуктивность осушаемых лесов, на характер воздействия лесных мелиораций на метаболизм хвойных растений, на газообразные функции леса, играющие большую роль в охране окружающей среды.
Цель настоящей работы состояла в сравнительном изучении особенностей химиче-
ского состава торфяной почвы переходного типа после ее осушения и внесения удобрений. Опытами предусматривалось изучение динамики содержания питательных элементов в торфяной почве и органах ели европейской в зависимости от интенсивности осушения и вида вносимых удобрений.
Методика. В соответствии с поставленной целью и основными задачами исследований нами был взят участок осоково-хвощево-сфагнового ельника VI класса возраста У-б бонитета, относящегося к сфагновой группе типов леса, произрастающего на торфяной почве переходного типа заболачивания. Среди заболоченных ельников северной подзоны тайги Архангельской области указанная группа занимает 25%, или 330 тыс. га [4]. Общая площадь опытного участка составляет 22 га, из них осушенная часть - 14 га. Для проведения исследований на перпендикулярно проведенном к осушителю створе было оборудовано три экспериментальных участка с таким расчетом, чтобы четко прослеживалась разница в уровнях почвенно-грунтовых вод. Первый участок располагался на расстоянии 20, второй - 40 и третий - 60 м от осушителя. В качестве контроля служил участок аналогичного елового древостоя, расположенного на противоположной стороне магистральной канавы в 160 м от нее.
Для выяснения влияния минеральных удобрений на каждом экспериментальном участке были заложены специальные площадки, на которых по соответствующей схеме осуществлена подкормка деревьев ели минеральными удобрениями. С учетом литературных данных [5-7] была принята следующая норма вносимых удобрений по действующему веществу на 1 га: азот - 90, фосфор - 120, калий -60. На каждом экспериментальном участке удобрения внесены по схеме: №0Р120К60, Р120К60, Р120. Размер опытных площадок принят равным 0,02 га, расстояние между центрами соседних площадок 40-50 м. Каждой опытной площадке соответствовала контрольная. Общим контролем служил участок
ельника, где осушение и внесение удобрений не проводилось. В качестве удобрений использовали: мочевину, фосфоритную муку, хлористый калий. При проведении химических анализов почвы и растительных образцов пользовались стандартными методиками, принятыми в агрохимии. Ион хлора в хвое определяли по В.Е. Ермакову в модификации Е.П. Ниловой [8].
Результаты и обсуждение. Исследования показали, что верхний слой почвы (20 см) в июне-августе не затапливался только в узкой 20-метровой приканавной полосе. На других площадках указанный слой почвы постоянно испытывал подтопление. По усредненным за 4 года данным средняя за период исследований (июнь-август) глубина почвенно-грунтовых вод составляла: на первом участке 47 см, втором - 29, третьем - 24, на контрольном - 16. В результате осушения снизилась влажность верхнего слоя (20 см) торфа в расчете на сухую почву с 560-1363% на контрольном неосушенном участке до 163-470% в интенсивно осушенной приканавной полосе, увеличилась зольность этого слоя с 7,8 до 14,7% и объемный вес с 0,09 до 0,16 г/см3 соответственно.
Данные химического анализа торфяной почвы свидетельствуют о незначительном содержании подвижного фосфора на участках (от 7,8 до 12,5 мг на 100 г сухой почвы) (табл. 1), что указывает на крайне напряженное состоянии фосфорного питания у растений [9]. В отличие от фосфора, подвижного калия в исследуемой почве содержится значительно больше, и в слое 0-20 см его концентрация колеблется от 28 до 76 мг, что объясняется его большой подвижностью [10]. Гидротехническая мелиорация привела к некоторому уменьшению подвижности этих элементов. Так, в приканавной полосе в верхнем слое почвы (20 см) в среднем содержится 9,2 мг Р2О5 и 39,3 мг К2О на 100 г сухой почвы, а на контроле - 10,7 и 76,6 мг соответственно.
Таблица 1
СОДЕРЖАНИЕ ПИТАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ТОРФЯНОЙ ПОЧВЕ
(средние за 3 года)
Глубина, см Подвижные (на 100 г почвы) Валовые (в % на сухую массу почвы)
РА к,о N РА К,О С C:N
Участок 1 (20 м до канала, УГВ 47 см)
0-5 10,7 57,8 2,30 0,33 0,12 31,7 13,8
5-10 8,7 35,8 2,30 0,29 0,14 33,7 14,7
10-20 4,6 11,5 2,34 0,28 0,20 25,8 11,0
Участок 2 (40 м до канала, УГВ 29 см)
0-5 13,5 89,0 2,26 0,24 0,12 39,8 17,6
5-10 12,8 47,0 2,26 0,25 0,10 40,1 17,7
10-20 10,5 12,8 2,30 0,21 0,22 40,7 17,7
Участок 3 (60 м до канала, УГВ 24 см)
0-5 14,9 91,7 2,26 0,25 0,12 43,6 19,3
5-10 12,1 54,8 2,20 0,24 0,09 42,4 19,3
10-20 10,5 13,5 2,25 0,27 0,09 42,5 18,9
Контроль (УГВ 16 см)
0-5 15,0 99,8 2,08 0,22 0,10 39,6 19,3
5-10 11,8 72,3 2,13 0,21 0,10 41,8 19,6
10-20 10,9 20,5 2,27 0,23 0,04 45,4 20,0
Под влиянием осушения увеличилось валовое содержание №РК в почве. Особенно сильно повысилось содержание подвижного калия (в 1,5-2,0 раза) и фосфора (в 1,5 раза). Концентрация углерода в исследуемой почве достаточно высокая от 25,8 до 45,4%. Осушение привело к убыли этого элемента во всех почвенных горизонтах, но более заметно на участке 1. Снижение концентрации углерода и повышение азота способствовало уменьшению отношения углерода к азоту (с 19,8 в контроле до 16,0 на участке 1), что свидетельствует об улучшении питательного режима для растений. На более удаленных от осушителя участках в связи с повышением оводненности почвы подвижность указанных элементов заметно возрастает, и на участке 3 количество фосфора в слое 0-20 см уравнивается с его содержанием в контроле, а содержание калия удваивается по сравнению с участком 1. Однако уменьшение запасов
питательных элементов в осушенной почве еще не является доказательством ухудшения условий питания для растений. А.Я. Орлов и А.А. Извеков [11] считают, что усиление процессов образования доступных для растений питательных элементов в осушаемых почвах сопровождается и усиленной мобилизацией их растительностью.
Проведенные нами расчеты запасов биогенных элементов показали, что за 45 лет осушения в результате усадки и уплотнения торфа их количество в единице объема почвы заметно возросло. Если на контроле количество общего азота в корнеобитаемом слое 0-20 см было равным 4,2 т/га, то на участке 1 его содержание в аналогичном слое почвы за период осушения возросло до 8,1 т/га. Количество фосфора за этот же период увеличилось на 580, калия - на 460 кг/га, а содержание углерода изменилось незначительно. Произошли изменения
и в содержании наиболее усвояемых растениями форм калия и фосфора. Так, содержание подвижного фосфора увеличилось на 1,63,5 кг/га, а содержание подвижного калия достигло показателей контроля. Наиболее заметно содержание питательных элементов возросло в почве первого участка. На участках 2 и 3 изменения в питательном режиме торфяной почвы были менее существенными.
Особенности гидрологического режима торфяной почвы после осушения отразилось и на динамике содержания азота, фосфора и калия в хвое и побегах ели (табл. 2). Согласно полученным данным, наиболее существенные изменения в химическом составе хвои и побегов после осушения произошли у деревьев, произрастающих в интенсивно осушенной 20-метровой приканавной полосе. Анализ химического состава тканей показал, что снижение уровня почвенной воды привело к увеличению в хвое (в зависимости от возраста) содержания азота на 24-43%, фосфора на 27-50% и калия на 8-29%.
Высокий уровень грунтовых вод большую часть вегетации, слабая аэрация корневой системы явились основной причиной низкого содержания питательных элементов в тканях контрольных растений и на третьем участке. Аналогичная закономерность в распределении азота, фосфора и калия под влиянием осушения отмечена и в коре побегов ели. Количество указанных элементов заметно убывает с увеличением возраста органов. По усредненным за 3 года данным в однолетней хвое деревьев контрольного участка содержалось: азота - 1,15%, фосфора - 0,21%, калия -
0,47%, а у деревьев участка 1 соответственно
1,46, 0,34 и 0,61%, или на 7-50% больше. Различия существенны, а для азота и фосфора статистически достоверны на уровне 0,95.
Внесение в осушенную торфяно-болотную почву минеральных удобрений положительно сказалось на питательном режиме торфяной почвы. Под их влиянием в почве произошло увеличение прежде всего легко усвояемых элементов питания (табл. 3).
Таблица 2
СОДЕРЖАНИЕ АЗОТА, ФОСФОРА И КАЛИЯ В ОДНОЛЕТНЕЙ ХВОЕ ЕЛИ,%
Участок Азот
1973 1974 1975 Среднее і
VII ІХ VII ІХ ІХ
Азот
1 1,43 1,45 1,49 1,55 1,38 1,46 4,1
2 1,51 1,44 1,36 1,33 1,30 1,39 3,1
3 1,29 1,40 1,28 1,30 1,25 1,29 1,5
Контроль 1,07 1,00 1,20 1,34 1,18 1,15 -
Фосфор
1 0,38 0,35 0,33 0,32 0,30 0,34 4,0
2 0,40 0,27 0,26 0,31 0,27 0,30 2,7
3 0,31 0,30 0,21 0,30 0,24 0,27 2,2
Контроль 0,24 0,18 0,19 0,24 0,22 0,21 -
Калий
1 0,92 0,50 0,58 0,59 0,46 0,61 2,2
2 0,54 0,57 0,32 0,43 0,42 0,45 0,8
3 0,48 0,47 0,30 0,38 0,55 0,44 0,6
Контроль 0,49 0,39 0,54 0,53 0,47 0,47 -
Таблица 3
СОДЕРЖАНИЕ ПОДВИЖНЫХ ФОСФОРА И КАЛИЯ В УДОБРЕННОЙ ПОЧВЕ НА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УЧАСТКАХ, мг на 100 г сухой почвы
Участок Глубина, см Фосфор Калий
Вариант опыта
контроль NPK PK Р контроль NPK PK Р
1 0-5 10 169 246 302 49 104 105 60
0 7 5 8 31 17 11 31 57 74 41
10-20 5 8 5 3 18 35 24 24
2 0-5 15 350 322 375 54 114 96 71
5 1 0 12 11 25 16 38 68 71 32
10-20 9 9 8 4 12 43 43 15
3 0-5 16 325 400 348 92 100 109 54
0 7 5 10 14 23 14 44 75 72 44
10-20 8 10 12 14 15 34 44 19
После внесения удобрений особенно существенно в почве повысилось содержание подвижного фосфора, которое в верхнем слое (5 см) доходило до 100 мг и более на 100 г сухой почвы. В среднем за три года исследований содержание подвижного фосфора в горизонте 0-5 см составило: на первом участке 200-257 мг на 100 г почвы, на втором - 240-323, на третьем - 150-355.
Н.И. Казимиров с соавторами [12], изучая влияние фосфоритной муки на питательные свойства лесных почв Карелии, также указывает на достаточно резкое повышение содержания подвижного фосфора (до 884 мг на 100 г сухой почвы) после внесения фосфоритной муки. Внесение хлористого калия привело к увеличению в почве содержания подвижного калия, количество которого по сравнению с неудобренным контролем возросло в 1,53,1 раза и колебалось в верхнем слое (5 см) в пределах 75-152 мг на 100 г почвы.
Наибольшее количество калия, и особенно фосфора, переходило в почвенный раствор в первые годы на участке 3, что было связано с более высокой влажностью почвы, несколько меньше - на более дренированном первом участке. Наиболее обогащенным фосфором и калием во все сроки был самый верхний (0-5 см) слой почвы. На глубине 10 см подвижного
фосфора было в 5-10 раз, а подвижного калия в 1,5-2 раза меньше, чем в слое 0-5 см.
Внесение удобрений положительно отразилось также на содержании в торфяной почве валовых форм азота, фосфора и калия. Анализ почвенных образцов показал, что при внесении мочевины в почву уже в первый год приводит к накоплению в ней азота (до 2,38-2,76% в вариантах №К против 1,84-2,15% на неудобренных площадках), особенно в верхнем слое (10 см). Оказалось, что чем выше влажность почвы, тем активнее азот накапливается в почве и тем на большую глубину он проникает. В вариантах РК и Р, где азот не вносился, существенного повышения его содержания в почве не произошло. Как показали исследования, уже в первые два года азот удобрений полностью используется растениями. Внесение мочевины привело к сужению в почве отношения углерода к азоту (с 13,7-20,2 на контроле до 12,7-17,5 на опытных площадках).
После внесения в почву фосфоритной муки и хлористого калия произошло повышение в почве содержания валовых запасов фосфора и калия. Особенно значительно содержание фосфора и калия повысилось на втором и третьем участках, несколько меньше -в почве первого участка.
Удобрения значительно улучшили обеспеченность ели питательными элементами и прежде всего азотом, фосфором и калием. Анализ химического состава хвои и побегов ели, взятых у удобренных и неудобренных растений, показал, что усвоение питательных элементов растениями начинается сразу, как только удобрения попадают в почву (табл. 4). Уже в первый год (сентябрь) содержание азота в молодой хвое растений, получивших минеральные подкормки, возросло по сравнению с неудобренным контролем на 12-20%, фосфора - на 18-30% и калия - на 16-38%. Близкие к этим величины содержания питательных элементов обнаружены и в коре молодых побегов.
Постоянно высокий уровень ПГВ и затрудненная аэрация корней явились основным фактором слабого поступления и накопления питательных элементов у растений участка 3. На резкое снижение скорости усвоения питательных элементов из затопленной почвы при внесении минеральных удобрений ранее указывал К. Фритш [13]. За три года количе-
ство азота в однолетней хвое при внесении удобрений увеличилось: на первом участке в среднем на 12%, на втором - на 11%, на третьем - на 9% по сравнению с неудобренными деревьями, фосфора соответственно на 22, 20 и 17%, калия на 54, 37 и 23%. В коре однолетних побегов ели на опытных площадках в приканавной полосе (участок 1) содержание общего азота повысилось в среднем на 10%, на втором участке - на 8 и на третьем - на
7, фосфора на 18, 17 и 15%, калия на 30, 12 и 7% соответственно. С увеличением возраста побегов содержание указанных питательных элементов в хвое и коре побегов несколько уменьшается. В варианте, где азот и калий не вносили, существенного накопления их в хвое и побегах не произошло.
Более активно поглощение указанных элементов происходило в варианте РК. Видимо, из-за неуравновешенного соотношения элементов в почве их потребление растениями тормозилось. Внесение фосфора и калия в соотношении 2:1, напротив, способствовало усилению поглощения их растениями. Осу-
Таблица 4
ВЛИЯНИЕ УДОБРЕНИЙ НА СОДЕРЖАНИЕ АЗОТА, ФОСФОРА И КАЛИЯ В ОДНОЛЕТНИХ ПОБЕГАХ И ХВОЕ ЕЛИ НА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УЧАСТКАХ (в среднем за 3 года), %
Участок Однолетняя хвоя Однолетний побег
Вариант опыта
контроль №К рк Р контроль №К РК Р
Азот
1 1,43 1,58 1,34 1,31 1,33 1,46 1,25 1,29
2 1,35 1,50 1,23 1,25 1,20 1,28 1,11 1,09
3 1,29 1,40 1,20 1,22 1,13 1,22 1,08 1,04
Фосфор
1 0,34 0,39 0,41 0,37 0,30 0,34 0,36 0,35
2 0,30 0,35 0,37 0,34 0,23 0,27 0,28 0,24
3 0,27 0,32 0,37 0,34 0,22 0,24 0,25 0,25
Калий
1 0,61 0,72 0,89 0,64 0,63 0,78 0,83 0,70
2 0,56 0,62 0,77 0,61 0,56 0,67 0,70 0,62
3 0,52 0,67 0,64 0,48 0,54 0,62 0,62 0,60
шение в комплексе с минеральными удобрениями способствовало за 3 года увеличению в хвое ели содержания азота на 32% и калия на 45%. Содержание фосфора под действием комплексного фактора увеличилась почти вдвое.
Внесение в почву хлористого калия привело к повышению в хвое наряду с калием и хлора. Как показали исследования, содержание хлора в однолетней хвое в вариантах №РК и РК повысилось у деревьев первого участка на 12-34%, второго - на 18-30% по сравнению с неудобренными деревьями. В опытных вариантах из третьего участка накопления хлора у растений отмечено не было. Более активно поглощение хлора из почвы растениями шло в вариантах РК (до 52%). Возможно, именно в этих условиях происходило наибольшее связывание минеральных ионов хлора, на что в литературе имеются указания многих исследователей [14, 15]. Внесение азота (вариант №К) затормозило поступление хлора в растения в результате антогонистического действия, очевидно, на хлор азота [16, 17].
При статистической обработке данных за все годы исследований установлена существенность различий средних значений по каждому из указанных элементов. Однако лишь у деревьев первого и второго участков эти различия с контролем статистически достоверны на уровне 0,95, причем только для азота и фосфора, а для калия они недостоверны. Аналогичный характер накопления азота, фосфора и калия в зависимости от степени осушения выявлен и в побегах.
Заключение. Таким образом, осушение заболоченных ельников приводит к увеличению в почве подвижных форм и валовых запасов азота, фосфора и калия, что благоприятно сказывается на питательном режиме ели. Внесение удобрений способствует дальнейшему обогащению торфяной почвы азотом, фосфором и калием и способствует накоплению этих элементов в органах и тканях деревьев. Однако неравномерность осушения на всей межканавной площади значительно снижает положительный эффект от лесных мелиораций для ельников
Список литературы
1. Пьявченко Н.И., Сабо Е.Д. Основы гидролесомелиорации. М., 1962.
2. Вомперский С.Э. Биологические основы эффективности лесоосушения. М., 1968.
3. Бузыкин А.И. Возможность регулирования продуктивности древостоев // Лесоведение. 2007. № 6. С. 65-71.
4.Артемьев А.И., Чертовской В.Г. Гидролесомелиоративный фонд Архангельской области, состояние и перспективы // Повышение продуктивности лесов Европейского Севера. Архангельск, 1974. С. 145-149.
5. Heikurаinen L. The Effects of Manuring an Organic Soils. Proceedings of the V-th, Colloguium of the International Potash Institute. 1967. S. 197.
6. Победов В.С. Применение удобрений в лесном хозяйстве. М., 1972.
7. Шумаков В.С., Федорова Е.Л. Применение минеральных удобрений в лесу. М., 1970.
8. Методы биохимического исследования / А.И. Ермаков, В.В. Арасимович, М.И. Смирнова-Иконникова и др. М.; Л., 1952.
9. Themlitz D.R. Aussagewert von Boden und Nadelanalisen. Forest Fertilisation-Walddünngung Jyvaskyla (Finland), 1967.
10. Пьявченко Н.И., Сибирева З.А. Некоторые результаты стационарного изучения взаимовлияния леса и болота в подзоне средней тайги // Тр. Ин-та леса и древесины СО АН СССР. 1962. Т. 53. С. 174-203.
11. Орлов А.Я., Извеков А.А. Изменения лесорастительных свойств торфяно-перегнойных почв при их осушении // Почвоведение. 1960. № 2. С. 40-49.
12. Казимиров Н.И, Морозова Р.М., Новицкая Ю.Е. Экологические особенности и режим питания ели на Европейском Севере // Питание древесных растений и проблема повышения продуктивности лесов. Петрозаводск, 1972. С. 3-33.
13. Fritzsche K. Beziechungen zwischen Bodenfeuchte und Nähstoffversorgung bei Pappeln. Archiv. Forstwesen. Bd. 16. H. 6/9, 1967. S. 741-744.
14. Строгонов Б.Н. Физиологические основы солеустойчивости растений. М., 1962.
15. Шахов А.А., Качинский Е.С. Некоторые физико-химические свойства клеточного сока галофитов // Докл. АН СССР. 1947. Т. 58, № 8. С. 1817-1820.
16. Магницкий К.П., Шугаров Ю.А., Малков В.К. Новые методы анализа растений и почв. М., 1959.
17. Гончарик М.Н. Физиологическое влияние иона хлора на растения. Минск, 1968.
Konovalov Valery
PECULIARITIES OF SPRUCE MINERAL NUTRITION ON DRAINED AND FERTILIZED PEAT SOILS OF THE NORTH
The influence of drainage intensity in complex with fertilizing on the nutrition conditions of peat soil and content of nitrogen, phosphorus and potassium in spruce body and tissue has been studied. The drainage of bogged up spruce groves is shown to increase the reserves of soil and spruce body nourishing elements, with fertilizers leading to its further nutrition optimization.
Контактная информация: e-mail: v.konovalov@agtu.ru@yandex.ru
Рецензент - Тараканов А.М., доктор сельскохозяйственных наук, главный научный сотрудник СевНИИЛХ, заведующий лабораторией таежных экосистем и биоразнообразия СевНИИЛХ
