CC BY
0УДК 631.41
DOI: 10.24412/cl-37200-2024-1228-1233
РЕСУРСЫ ПОЧВЕННОГО КАЛИЯ В ЛЕСОСТЕПНЫХ И СТЕПНЫХ ЛАНДШАФТАХ
ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
RESOURCES OF SOIL POTASSIUM IN FOREST-STEPPE AND STEPPE LANDSCAPES
OF WESTERN SIBERIA
Середина В.П.
Seredina V.P.
Национальный исследовательский Томский государственный университет, Томск, Россия National Research Tomsk State University, Tomsk, Russia
E-mail: seredina_v@mail.ru
Аннотация. Изучены ресурсы почвенного калия в черноземах лесостепной и степной зон Западной Сибири, представленных черноземами глинисто-иллювиальными (подтипы типичные, оподзоленные, глееватые), черноземами (подтипы сегрегационные, дисперсно-карбонатные). На основе экстенсивных и термодинамических показателей дана оценка калийного состояния основных подтипов черноземных почв. Определена потенциальная буферная способности почв в отношении калия и на основе значений калийного потенциала определена доступность его растениям. Установлено влияние различных факторов на изученные параметры и выявлены существенные различия в энергетической обеспеченности в отношении калия основных подтипов черноземных почв.
Ключевые слова: Западная Сибирь, лесостепные и степные ландшафты, черноземы, калийное состояние, термодинамические показатели.
Abstract. The resources of soil potassium were studied in the chernozems of the forest-steppe and steppe zones of Western Siberia, represented by clayey-illuvial chernozems (typical, podzolized, gleyic subtypes), chernozems (segregation, dispersed carbonate subtypes). Based on extensive and thermodynamic indicators, an assessment of the potassium condition of the main subtypes of chernozem soils is given. The potential buffering ability of soils for potassium was determined and, based on the potassium potential values, its availability to plants was determined. The influence of various factors on the studied parameters was established and significant differences in the energy supply with respect to potassium of the main subtypes of chernozem soils were revealed.
Key words: Western Siberia, forest-steppe and steppe landscapes, chernozems, potassium status, thermodynamic parameters.
Введение. Среди многочисленных публикаций, касающихся почв южной части Западной Сибири, крайне ограниченное количество посвящено калию, одному из важнейших компонентов минерального питания растений и индикатору почвенных процессов. Несмотря на имеющиеся работы, в которых раскрываются некоторые аспекты поведения калия в различных типах почв, в настоящее время нет достаточной информации о роли минералогического состава и связи трансформаций калийсодержащих минералов с интенсивностью и направленностью почвообразовательных процессов. Более полное представление о калийном состоянии почв можно получить, рассматривая почвенную систему с позиций химической термодинамики. Данный подход позволяет глубже подойти к пониманию поведения калия в почвах различного генезиса, направленности почвенных процессов, осуществлению теоретически обоснованной разработки дифференцированных систем управления плодородием и меняющихся почвенных режимов, определяемых чередованием процессов иссушения-увлажнения почв и их промерзанием. Эта сторона проблемы особенно актуальна для почв земледельческой зоны Сибири, контрастность погодных условий которой общеизвестна.
Объекты и методы исследования. Объектами исследования послужили черноземные почвы лесостепных и степных ландшафтов Западной Сибири. Западно-Сибирская равнина -яркий пример проявления природной зональности. В частности, лесостепная зона занимает полосу, ширина которой достигает 250-250 км. Зона степи простирается неширокой полосой на юге Западно-Сибирской равнины, захватывая часть Омской и Новосибирской областей и равнинные районы левобережья реки Оби Алтайского края, соприкасающиеся с сухостепной зоной. Эта зона отличается неоднородностью природных условий и почвенно-мелиоративной обстановки. Автоморфные почвы лесостепной и степной зон Западно-Сибирской равнины представлены в основном черноземами. В северной лесостепи эти почвы сменяются серыми
лесными, а в сухой степи - каштановыми почвами. Черноземы как типично автоморфные Ca-гумусовые почвы формируются по двум направлениям - начально гидроморфному (с проявлением периодически гидроморфного режима) и постоянно-субаэральному. Начально-гидроморфное развитие черноземообразования характерно для наиболее обширной, центральной слабодренированной части региона, где широко распространены озерно-аллювиальные наносы, перекрытые на положительных элементах рельефа сравнительно маломощным чехлом (до 2-5 м) субаэральных отложений (лессовидных суглинков) и подстилаемых палеоген-неогеновыми глинами (с прослоями песков и линзами гравия) морского происхождения. Постоянно-субаэральное черноземообразование приурочено к мощной толще субаэрально-лессовых отложений (до 100-150 м) предгорных платообразных и возвышенных нагорных равнин юго-восточной, хорошо дренированной части равнины [1].
В классификационном отношении исследуемые почвы лесостепи в зависимости от степени выраженности в них элювиально-иллювиальных процессов относятся к черноземам оподзоленным и выщелоченным или к серым лесным оподзоленным. Почвенный покров восточной и юго-восточной части зоны, приуроченной к системе расчлененных, возвышенных и дренированных равнин Приобского плато, сравнительно однороден и слагается главным образом из обыкновенных и южных черноземов, занимающих более 50% территории зоны, лугово-черноземных почв и почв засоленного ряда. Смена обыкновенных черноземов южными происходит в направлении с востока на запад, в сторону сухостепной зоны.
Наряду с автоморфными черноземными почвами, широкое распространение в условиях степной зоны Западной Сибири получили лугово-черноземные почвы. Эти почвы формируются на пониженных равнинах, плоских, слабо выраженных гривах, склонах грив, а также на повышенных участках межгривных понижений, террасах рек и озер. Они часто встречаются в комплексе с солонцами. Грунтовые воды обычно пресные, или слабоминерализованные, залегают на глубине 2-4 м и оказывают периодическое влияние на почвообразование. Важнейшим генетическим отличием полугидроморфных и гидроморфных почв от автоморфных, влияющим на их калийное состояние, является наличие процессов гидрогенной аккумуляции и аккумуляции жидкого и твердого стока. Лугово-черноземные почвы имеют вследствие сезонного переувлажнения соответственно более или менее выраженные признаки внутрипрофильного гидроморфизма. В то же время в нижней части гумусового горизонта или в верхней части иллювиального горизонта очень часто обнаруживаются признаки солонцеватости и осолодения. Изученные почвы лесостепных и степных ландшафтов в соответствии с классификацией и диагностикой почв России [2], относятся к постлитогенному стволу, отделу аккумулятивно-гумусовых почв и представлены следующими типами: черноземами глинисто-иллювиальными (подтипы типичные, оподзоленные, глееватые), черноземами (подтипы сегрегационные, дисперсно-карбонатные).
В основу решения поставленных в работе задач положен системный подход исследования калийного состояния почв в рамках сравнительно-географического и сравнительно-аналитического методов, а также статистическая обработка аналитических материалов. В данной работе проведена оценка калийного состояния почв на основе ёмкостных (экстенсивных) и термодинамических (интенсивных) показателей. Экстенсивные параметры определены по методикам: валовой калий разложением почвы фтористоводородной кислотой; необменный а) по K.K. Гедройцу (1955) и б) по В.У. Пчёлкину (1966); обменный - в вытяжке 1,0 н. раствора уксуснокислого аммония по методу Масловой [3]. Калийный потенциал (КП) определялся по Ульриху, потенциальная буферная способность почв в отношении калия (ПБСК) - по Бекетту [4]. Гранулометрический состав и физико-химические свойства почв выполнены с использованием общепринятых в почвоведении методов. Минералогический состав фракций 0,25-0,1мм и 0,1-0,01мм определялся под поляризационным микроскопом с применением иммерсионных жидкостей и предварительным их разделением с помощью жидкости Туле (уд. вес 2,75) на лёгкую и тяжёлую фракции. Минералогический состав илистой фракции почв исследовался рентгендифрактометрическим методом.
Результаты исследований и их обсуждение. Поведение калия в почвах определяется рядом особенностей, поскольку трансформация его форм, в отличие от азота и фосфора, почти не связана с микробиологическим и химическим закреплением, а обусловлена, в основном, гранулометрическим и минералогическим составом почвообразующих пород и формирующихся на них почв [5, 6]. Лессовидные суглинки, являющиеся основными почвообразующими породами для данного ряда почв, образовались из различных по генезису
континентальных рыхлых пород в периоды послеледниковых сухих эпох. По своей структуре это в основном карбонатные светло-бурые и буровато-желтые иловато-пылеватые тяжелые суглинки или пылевато-иловатые глины. Им свойственны насыщенность углекислым кальцием, макропористость, высокие общие запасы калия. По минеральному составу материал суглинков представлен кварцем, полевыми шпатами с примесями слюд, хлорита, эпидота, роговой обманки, циркона.
Как известно, глинистые минералы (смектиты, кандиты, каолиниты, гидрослюды) обладают кристаллохимическими особенностями, которые обусловливают такие химические и физико-химические свойства, как реакционную способность, емкость катионного обмена, буферность, способность к необменной фиксации калия и аммония. Обладая ионно-обменной способностью, глинистым минералам свойственны реакции сорбции и десорбции, гидратации и дегидратации, взаимодействия с органическими веществами, что, в конечном счете, обусловливает их потенциальное плодородие и ценность в качестве материнских почвообразующих при формировании почв.
Характерная особенность минералогического состава изученных черноземов, также как и лессовидных суглинков, являющихся основными почвообразующими породами для данного ряда почв, заключается в высоком содержании кварца, доминирующего в составе частиц больше 0,01 мм. Количество полевых шпатов и слюд значительно меньше (12-13%). По преобладающим компонентам минералогического состава изученные почвы и породы относятся к кварцево-полевошпатовым с заметной примесью слюдистых компонентов. В составе калийсодержащих минералов преобладают трудно выветриваемые представители алюмосиликатов. Следовательно, даже при интенсивном внутрипочвенном выветривании данных минералов, вклад этих процессов в систему механизмов, обеспечивающих внутрипочвенное калийное состояние, по сравнению с вкладом тонкодисперсных глинистых минералов, можно считать незначительным.
Исследование минералогического состава илистых фракций черноземных почв выявило принципиально сходный состав глинистых минералов: как в почвах, так и породе преобладают глинистые минералы с трехслойной решеткой (2:1). Ослабленные процессы внутрипочвенного выветривания проявляются только в трансформациях минералов в системе гидрослюда ^ монтмориллонит, т.е. не приводят к коренной структурной перестройке исходных глинистых минералов. Главный калийсодержащий минерал илистой фракции - гидрослюда - в профиле черноземов оказывается малоподвижен, что при большом его количестве (более 50%) обеспечивает высокий ресурс ближнего калийного резерва.
Как показали исследования, содержание валового калия во всех подтипах черноземов достаточно высокое и колеблется в пределах 1,93-2,25%, что обусловлено значительным количеством первичных (калиевые полевые шпаты) и глинистых (гидрослюды) калийсодержащих минералов. По величине валового калия изученные черноземы Западной Сибири близки к аналогичным почвам Европейской территории России, развитых на однотипных почвообразующих породах. Полученные данные подтверждают положение о том, что общий ресурс калия в почвах с сиаллитным характером выветривания является значительным.
При относительной однородности минералогического, химического и гранулометрического состава пород, особенно характерной для восточной и юго-восточной части зоны, приуроченной к системе расчлененных, возвышенных и дренированных равнин Приобского плато, формирующиеся на них черноземы, имеют некоторые различия в содержании и характере распределения валового калия. Если в общем содержании калия легких по гранулометрическому составу дисперсно-карбонатных черноземов определяющим фактором являются количество и состав калийсодержащих минералов крупных гранулометрических фракций (полевых шпатов - ортоклаза и микроклина), то в черноземах выщелоченных и оподзоленных основная роль принадлежит илистой фракции и ее минералогическому составу, в частности, содержанию гидрослюд и слюда-смектитовых смешаннослойных образований. При этом в пределах данных подтипов почв варьирование содержания валового калия небольшое (У=2,9-4,0%), что в определенной степени подтверждает особенность процесса черноземообразования, заключающегося в отсутствии существенных изменений валового состава алюмосиликатной части и слабую дифференцированность их профиля.
В исследованных подтипах черноземов, как в собственно и других типах почв, калий представлен, главным образом, минеральными формами (77-79% от общего количества), при
этом основным источником негидролизуемого калия (так называемого силикатного), являются полевые шпаты, сосредоточенные во фракции крупной пыли. Биоаккумулятивные процессы оказывают влияние на перераспределение калия лишь в верхней части профиля, где отмечается как накопление валового калия, так и его обменных форм.
По среднему содержанию обменного калия (в мг/100 г почвы) исследуемые подтипы черноземов образуют следующую последовательность: черноземы обыкновенные (29,8±1,1) -черноземы южные (21,8±1,0) - черноземы оподзоленные (20,8±0,9) - черноземы выщелоченные (20,2±0,6). Исходя из этого, можно говорить о высокой их обеспеченности данным питательным элементом. Равномерное распределение илистой фракции в пределах почвенного профиля черноземов в значительной мере определяет и равномерный характер распределения обменного калия.
При общем довольно равномерном распределении обменного калия в профиле черноземов наблюдается выраженный максимум в верхнем горизонте, достоверность которого доказана математически. В этом горизонте накопление обменного калия определяется его биогенной аккумуляцией и связано с содержанием гумуса (г=0,88). При сопоставлении содержания и распределения обменной формы калия с его валовым количеством какой-либо связи между ними не намечается. Можно полагать, что содержание обменного калия в различных по генезису и свойствам почвах изменяется независимо от уровня валового калия, о чем свидетельствует отсутствие корреляционной связи между этими показателями.
По степени изменчивости обменный калий - средне варьирующий признак. Наблюдается общая тенденция возрастания вариабельности данного признака с увеличением интенсивности проявления элювиально-иллювиальных процессов и в сторону почв с пониженным количеством обменного калия. Величина относительного содержания данной формы калия (доля обменного калия от общего содержания) составляет несколько более 1%.
Для объективной характеристики калийного состояния почв определяющее значение имеет система оценочных показателей. Они предусматривают одновременное использование параметров, характеризующих как валовое содержание калия и количественный состав его форм и запасов (экстенсивные показатели), так и термодинамических, определяющих мобилизационные способности почвы [7]. В связи с этим, в работе использованы показатели и характеристики, основанные на термодинамических представлениях об ионообменном равновесии в системе почва - почвенный раствор [4, 8] - калийный потенциал (КП=рК-0,5рСа) и потенциальная буферная способность почв в отношении калия (ПБСК).
Термодинамические показатели имеют высокую информативность, поскольку они связаны с константой ионного обмена между кальцием и магнием почвенного поглощающего комплекса и калием почвенного раствора и дают сведения об интенсивности протекания этих процессов, об активности ионов калия в почвенной среде и соотношении его с другими катионами. Каждая почва имеет значение калийного потенциала, соответствующее определенным условиям калийного питания растений. Согласно градациям Вудруффа, изменение величины калийного потенциала от - 3500 до - 4000 кал (2,5-2,9) свидетельствует о недостатке калия для роста и развития растений; -2500 до - 3000 кал (1,8-2,2) соответствует оптимальным условиям калийного питания растений; - 2000 кал (1,5) и ниже свидетельствует об избытке калия «люкс-питание». Потенциальная буферная способность почв в отношении калия считается очень низкой при величине <20, низкой - от 20 до 50, средней - при величине от 50 до 100, повышенной - от 100 до 200 и высокой - >200.
По результатам определений для изученных образцов почв построены графики потенциальной буферной способности в отношении калия [4]. Все они имеют типичную для данного показателя форму, соответствующую литературным данным. Выявлено три типа кривых ПБСК. Первый тип кривой - это традиционный, описанный Бекеттом. Данная кривая имеет прямолинейную форму в верхней своей части, которая соответствует обмену на однородных отрицательно заряженных неспецифических обменных позициях, и криволинейную в нижней части, которая описывает обмен на селективных к калию позициях. Этот тип кривой характерен для почв, содержащих больше всего иллитов (в том числе и педогенных), высокоразрядных лабильных силикатов и вермикулита. Именно эти минералы и определяют наличие специфических обменных позиций в верхнем горизонте исследованных выщелоченных чернозёмов. Для некоторых горизонтов графики ПБСК представлены прямыми линиями. Это свидетельствует о том, что в данных горизонтах выход калия происходит только с неспецифических однородных обменных позиций, что позволяет предполагать о
преобладании в составе илистых фракций монтмориллонита и отсутствии вермикулитовых минералов. Для остальных подтипов черноземов характерен тип кривой ПБСК, форма которого близка к S-образной. S-образная форма кривой свидетельствует о наличии двух типов неспецифических обменных позиций, которые указывают на присутствие в составе илистых фракций почв монтмориллонита и вермикулита или разбухающих минералов группы монтмориллонита, имеющих разный заряд. Следует подчеркнуть следующую особенность кривых ПБСК: практически все экспериментальные точки на графиках ПБСК, кроме самой первой при нулевой концентрации калия в исходном растворе, расположены выше оси абсцисс, что соответствует процессу поглощения почвой калия при соответствующем соотношении калия и кальция в растворе. В связи с этим можно считать, что во всех исследованных черноземах ПБСК указывает на способность почв поглощать калий из раствора, а не десорбировать ионы калия в раствор.
В соответствии со значениями величин калийного потенциала (0,91-0,99), непосредственно доступного калия - ДКо (0,53-0,54), а также величинами калийной потенциальной буферной способности (206-216) наиболее благоприятные условия калийного питания растений складываются в подтипах обыкновенных черноземов. Можно утверждать, что чем выше ПБСК, тем устойчивее равновесие между калием твердой фазы почв и почвенного раствора, тем больше способность почвы сохранить и поддержать присущий ей уровень эффективного плодородия почв в отношении калия. У почв с высокими значениями ПБСК критический уровень содержания калия в растворе (уровень, ниже которого калийные удобрения начинают действовать) меньше, чем у почв с низкой ПБСК. Более высокая калийная буферная способность согласуется с лучшими адсорбционными свойствами почвы при поглощении калия из растворов. Величины калийной потенциальной буферной способности имеют тесную связь с содержанием в почвах обменного калия (r=0,98). Обыкновенные черноземы обладают и более высоким энергетическим потенциалом (величина свободной энергии Гиббса (-AG) колеблется от 1241 до 1691 кал), а также значительными ресурсами необменных (гидролизуемых) форм (123,8±4,6мг/100г почвы), являющихся ближними резервами наиболее доступных соединений этого элемента (обменных и водорастворимых).
Содержание валового калия в лугово-черноземных почвах, также как и во всех подтипах черноземов, достаточно высокое (1,97%±0,03%). Узкий диапазон колебаний общего калия в исследованных почвах свидетельствует об однотипности минералогического состава почвообразующих пород и незначительной роли процессов гидрогенной аккумуляции калия. Наблюдается корреляционная зависимость между содержанием валового калия и фракцией физической глины (г=0,86). В верхних горизонтах лугово-черноземных почв отмечается достоверное увеличение общего содержания калия по сравнению с материнской породой. Это объясняется тем, что в минералогическом составе илистой фракции отложений пониженных равнин (с преобладанием в них циркулирующих растворов, содержащих кальций и магний) возможны трансформационные преобразования смектитовых минералов в гидрослюды, так называемый процесс «иллитизации» набухающих минералов в результате необменной фиксации калия, и более энергичный процесс гидратации слюд. Основную долю от валового содержания (81-94%) составляет калий минерального скелета (негидролизуемый соляной кислотой). По величине силикатного калия профиль данных почв не дифференцирован, распределение его контролируется количеством первичных калийсодержащих минералов и гранулометрическим составом.
Источником необменных форм калия, являющихся ближним резервом для пополнения доступных для растений соединений, являются иллитовые минералы, присутствующие в составе наиболее дисперсных илистых фракций. Содержание гидролизуемых форм составляет около 4% от общих запасов и колеблется в широких пределах, что связано с минералогическим составом почв и реакцией среды. Большое влияние на перераспределение гидролизуемого калия оказывают окислительно-восстановительные условия. Более низкие значения Eh в глеевых горизонтах определяют пониженную способность минеральной основы почв фиксировать калий.
По среднему содержанию обменной формы калия (26,2±1,4 мг/100 г) лугово-черноземные почвы приближаются к черноземам обыкновенным. Профильное распределение обменного калия глинисто-иллювиальных черноземов находится в прямой корреляционной зависимости от содержания илистой фракции и связано с биогенной аккумуляцией.
Смена окислительно-восстановительных условий, способствующая расшатыванию кристаллической решётки глинистых минералов, является причиной податливости поглощённого калия к ионообменным реакциям, что подтверждается высокими величинами активностей ионов калия и удовлетворительными показателями калийного потенциала (1,462,77) в гумусово-аккумулятивных горизонтах, что в соответствии с градациями Вудруффа, свидетельствует о благоприятных условиях калийного питания лугово-черноземных почв. Значения потенциальной буферной способности в отношении калия в профиле почв колеблются в узких пределах (284-297), достигая максимума в нижних оглеенных горизонтах. Буферная способность является тем показателем, который характеризует состояние почв не только в настоящий момент, но и даёт долговременный прогноз способности почвы поддерживать величину доступного для растений калия на определённом уровне. Выявленные связи между интенсивными показателями калийного состояния, физико-химическими параметрами почв и гидротермическими условиями позволяют определить значимость и долю влияния отдельных факторов на способность полугидроморфных почв противостоять внешним воздействиям и восстанавливать нарушенное равновесие по отношению к калию.
Заключение. В настоящее время в черноземах, приуроченных к лесостепным и степным ландшафтам Западной Сибири, складывается наиболее благоприятное равновесие форм калия; в этих же почвах буферные способности в отношении данного элемента питания являются оптимальными. Выявленные региональные особенности ресурсов почвенного являются основой дифференцированного подхода к обоснованию масштабов применения калийных удобрений, а также комплекса мер по направленному регулированию калийного режима данных почв. Установление пространственных закономерностей ресурсов почвенного калия даёт возможность прогнозирования последствий, вызванных антропогенным воздействием.
Список литературы
1. Генезис, эволюция и география почв Западной Сибири / Гаджиев И.М., Курачев В.М., Шоба В.Н. и др. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1988. 224 с.
2. Классификация и диагностика почв России / Л.Л. Шишов, В.Д. Тонконогов, И.И. Лебедева, М.И. Герасимова; отв. ред. Г.В. Добровольский. Почвенный ин-т им. В.В. Докучаева Российской акад. с.-х. наук, Моск. гос. ун-т им. М.В. Ломоносова, Докучаевское о-во почвоведов. Смоленск: Ойкумена, 2004. 341 с.
3. Важенин И.Г. Методы определения калия в почве // Агрохимические методы исследования почв. М.: Наука, 1975. С. 191-218.
4. Медведева О.П. Определение калийного потенциала и потенциальной буферной способности почв в отношении калия // Агрохимические методы исследования почв. М.: Наука, 1975. С. 219-227.
5. Середина В.П. Калий и почвообразование. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2012. 354 с.
6. Середина В.П. Оценка калийного состояния почв на основе термодинамических показателей: современные подходы и принципы // Геоэкологические проблемы почвоведения и оценки земель: Материалы Международной конференции / Под ред. Л.И. Герасько. Томск: ТГУ, 2002. С. 349-357.
7. Спозито Г.Л. Термодинамика почвенных растворов. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 240 с.
